Электрокатализ реакции восстановления кислорода на мезопористых пленках TiO2, In2O3 и TiO2 – In2O3

Авторы

  • Анна Михайловна Мальтанова Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Татьяна Васильевна Гаевская Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
  • Анна Юрьевна Куренкова Институт катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 5, 630090, г. Новосибирск, Россия
  • Андрей Александрович Сараев Институт катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 5, 630090, г. Новосибирск, Россия
  • Сергей Кондратьевич Позняк Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

Ключевые слова:

диоксид титана, оксид индия(III), композит, пленка, электрокатализ, восстановление кислорода
Поддерживающие организации
Работа выполнена в рамках государственной программы научных исследований «Химические процессы, реагенты и технологии, биорегуляторы и биооргхимия» на 2021–2025 гг. (научно-исследовательская работа 2.1.04.02). Авторы выражают признательность О. В. Королик за помошь в проведении исследований.

Аннотация

Пленки индивидуальных оксидов TiO2, In2O3 и их композитов TiO2 – In2O3 получены путем нанесения золей на вращающуюся подложку с последующим прогревом при 200 и 450 °С. С использованием методов сканирующей электронной микроскопии, просвечивающей электронной микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния света установлено, что образцы после прогрева обладают мезопористой структурой с неупорядоченным распределением пор и состоят из нанокристаллитов TiO2 и In2O3 размером 5–15 нм. В ходе исследования электрохимической активности полученных пленок в реакции восстановления кислорода в щелочной среде методом циклической вольтамперометрии выявлено, что эффективность протекания реакции восстановления кислорода на электродах TiO2, In2O3 и TiO2 – In2O3 определяется природой оксида, составом композитных систем, а также зависящими от температуры прогрева состоянием поверxности пленок и размером нанокристаллитов оксидов, которые влияют на транспорт носителей заряда от подложки через оксидный слой к адсорбированным из раствора реагентам.

Биографии авторов

  • Анна Михайловна Мальтанова, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

    кандидат химических наук, доцент; старший научный сотрудник лаборатории химии тонких пленок

  • Татьяна Васильевна Гаевская, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь

    кандидат химических наук, доцент; заведующий лабораторией химии тонких пленок

  • Анна Юрьевна Куренкова, Институт катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 5, 630090, г. Новосибирск, Россия

    кандидат химических наук; научный сотрудник отдела гетерогенного катализа

  • Андрей Александрович Сараев, Институт катализа им. Г. К. Борескова Сибирского отделения РАН, пр. Академика Лаврентьева, 5, 630090, г. Новосибирск, Россия

    кандидат физико-математических наук; научный сотрудник отдела исследования катализаторов

  • Сергей Кондратьевич Позняк, Научно-исследовательский институт физико-химических проблем БГУ, ул. Ленинградская, 14, 220006, г. Минск, Беларусь
    кандидат химических наук, доцент; ведущий научный сотрудник лаборатории химии тонких пленок

Библиографические ссылки

  1. Bonnefont A, Ryabova AS, Schott T, Kéranguéven G, Istomin SYa, Antipov EV, et al. Challenges in the understanding oxygen reduction electrocatalysis on transition metal oxides. Current Opinion in Electrochemistry. 2019;14:23–31. DOI: 10.1016/j.coelec.2018.09.010.
  2. Xue Y, Sun S, Wang Q, Dong Z, Liu Z. Transition metal oxide-based oxygen reduction reaction electrocatalysts for energy conversion systems with aqueous electrolytes. Journal Materials Chemistry A. 2018;6(23):10595–10626. DOI: 10.1039/C7TA10569J.
  3. Li D, Lv H, Kang Y, Markovic NM, Stamenkovic VR. Progress in the development of oxygen reduction reaction catalysts for low-temperature fuel cells. Annual Review of Chemical and Biomolecular Engineering. 2016;7:509–532. DOI: 10.1146/annurev-chembioeng-080615-034526.
  4. Calvo EJ, Mozhzhukhina N. A rotating ring disk electrode study of the oxygen reduction reaction in lithium containing non aqueous electrolyte. Electrochemistry Communications. 2013;31:56–58. DOI: 10.1016/j.elecom.2013.03.005.
  5. Qin J, Zhang Y, Leng D, Feng Y. The enhanced activity of Pt – Ce nanoalloy for oxygen electroreduction. Scientific Reports. 2020;10:14837. DOI: 10.1038/s41598-020-71965-0.
  6. Erikson H, Antoniassi RM, Solla-Gullón J, Torresi RM, Tammeveski K, Feliu JM. Oxygen electroreduction on small (<10 nm) and {100}-oriented Pt nanoparticles. Electrochimica Acta. 2022;403:139631. DOI: 10.1016/j.electacta.2021.139631.
  7. Shao M, Chang Q, Dodelet J-P, Chenitz R. Recent advances in electrocatalysts for oxygen reduction reaction. Chemical Reviews. 2016;116(6):3594–3657. DOI: 10.1021/acs.chemrev.5b00462.
  8. Hussain S, Erikson H, Kongi N, Sarapuu A, Solla-Gullón J, Maia G, et al. Oxygen reduction reaction on nanostructured Pt-based electrocatalysts: a review. International Journal of Hydrogen Energy. 2020;45(56):31775–31797. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.08.215.
  9. Trasatti S. Interfacial electrochemistry of conductive oxides for electrocatalysis. In: Wieckowski A, editor. Interfacial electrochemistry: theory, experiment, and applications. New York: Marcel Dekker, Inc.; 1999. p. 769–793.
  10. Bagheri S, Mohd Hir ZA, Termeh Yousefi A, Bee Abdul Hamid S. Progress on mesoporous titanium dioxide: synthesis, modification and applications. Microporous and Mesoporous Materials. 2015;218:206–222. DOI: 10.1016/j.micromeso.2015.05.028.
  11. Poznyak SK, Talapin DV, Kulak AI. Structural, optical, and photoelectrochemical properties of nanocrystalline TiO2 – In2O3 composite solids and films prepared by sol-gel method. The Journal of Physical Chemistry B. 2001;105(21):4816–4823. DOI: 10.1021/jp003247r.
  12. Sacco A, Garino N, Lamberti A, Pirri CF, Quaglio M. Anodically-grown TiO2 nanotubes: effect of the crystallization on the catalytic activity toward the oxygen reduction reaction. Applied Surface Science. 2017;412:447–454. DOI: 10.1016/j.apsusc.2017.03.224.
  13. Miao F, Gao M, Yu X, Xiao P, Wang M, Wang Y, et al. TiO2 electrocatalysis via three-electron oxygen reduction for highly efficient generation of hydroxyl radicals. Electrochemistry Communications. 2020;113:106687. DOI: 10.1016/j.elecom.2020.106687.
  14. Maltanava HM, Konakov AO, Gaevskaya TV, Belko NV, Samtsov MP, Poznyak SK. Electrocatalytic and photoelectrochemical properties of nanotubular TiO2 electrodes thermally treated in air and hydrogen. Journal of Applied Spectroscopy. 2024;90(6):1241–1254. DOI: 10.1007/s10812-024-01660-9.
  15. Мальтанова АМ, Брежнева НЮ, Мазаник АВ, Мажейко СО, Гаевская ТВ, Скорб ЕВ и др. Электрокатализ реакции восстановления кислорода на модифицированных наночастицами золота диоксидтитановых пленках с различной морфологией. Журнал Белорусского государственного университета. Химия. 2020;2:63–75. DOI: 10.33581/2520-257X-2020-2-63-75.
  16. Woo SM, Kim HS, Youn PJ, Lee KR, Kang GM, You S-H, et al. Reactive metal – support interaction of In2O3 / crystalline carbon hybrid support for highly durable and efficient oxygen reduction reaction electrocatalyst. Chemical Engineering Journal. 2025;505:159586. DOI: 10.1016/j.cej.2025.159586.
  17. Shchukin D, Poznyak S, Kulak A, Pichat P. TiO2 – In2O3 photocatalysts: preparation, characterisations and activity for 2-chlorophenol degradation in water. Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry. 2004;162(2–3):423–430. DOI: 10.1016/S1010-6030(03)00386-1.
  18. Poznyak SK, Kulak AI. Characterization and photoelectrochemical properties of nanocrystalline In2O3 film electrodes. Electrochimica Acta. 2000;45(10):1595–1605. DOI: 10.1016/S0013-4686(99)00319-9.
  19. Ovodok E, Maltanava H, Poznyak S, Ivanovskaya M, Kudlash A, Scharnagl N, et al. Synthesis and characterization of efficient TiO2 mesoporous photocatalysts. Materials Today: Proceedings. 2017;4(11, part 2):11526–11533. DOI: 10.1016/j.matpr.2017.09.062.
  20. Swamy V, Kuznetsov A, Dubrovinsky LS, Caruso RA, Shchukin DG, Muddle BC. Finite-size and pressure effects on the Raman spectrum of nanocrystalline anatase TiO2. Physical Review B. 2005;71(18):184302. DOI: 10.1103/PhysRevB.71.184302.
  21. Shul’ga YuM, Matyushenko DV, Kabachkov EN, Kolesnikova AM, Kurkin EN, Domashnev IA, et al. Correlation between the Eg(1) oscillation frequency and half-width of the (101) peak in the X-ray diffraction pattern of TiO2 anatase nanoparticles. Technical Physics. 2010;55(1):141–143. DOI: 10.1134/S1063784210010238.
  22. Liu D, Lei W, Qin S, Hou L, Liu Z, Cui Q, et al. Large-scale synthesis of hexagonal corundum-type In2O3 by ball milling with enhanced lithium storage capabilities. Journal of Materials Chemistry A. 2013;1(17):5274–5278. DOI: 10.1039/C3TA00182B.
  23. Malashchonak MV, Poznyak SK, Streltsov EA, Kulak AI, Korolik OV, Mazanik AV. Photoelectrochemical and Raman characterization of In2O3 mesoporous films sensitized by CdS nanoparticles. Beilstein Journal of Nanotechnology. 2013;4:255–261. DOI: 10.3762/bjnano.4.27.
  24. Малащенок НВ, Позняк СК, Стрельцов ЕА, Кулак АИ. Сенсибилизация фотоэлектрохимических процессов в наногетероструктурах In2O3/CdS. В: Ивашкевич ОА, Воробьева ТН, Аршанский ЕЯ, Браницкий ГА, Василевская ЕИ, Гапоник ПН и др., редакторы. Свиридовские чтения. Выпуск 8. Минск: БГУ; 2012. с. 93–100.

Загрузки

Опубликован

2026-01-31

Выпуск

№ 2 (2025): Журнал Белорусского государственного университета. Химия

Раздел

Оригинальные статьи

Лицензия

Copyright (c) 2026 Журнал Белорусского государственного университета. Химия

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.

Авторы, публикующиеся в данном журнале, соглашаются со следующим:

  1. Авторы сохраняют за собой авторские права на работу и предоставляют журналу право первой публикации работы на условиях лицензии Creative Commons Attribution-NonCommercial. 4.0 International (CC BY-NC 4.0).
  2. Авторы сохраняют право заключать отдельные контрактные договоренности, касающиеся неэксклюзивного распространения версии работы в опубликованном здесь виде (например, размещение ее в институтском хранилище, публикацию в книге) со ссылкой на ее оригинальную публикацию в этом журнале.
  3. Авторы имеют право размещать их работу в интернете (например, в институтском хранилище или на персональном сайте) до и во время процесса рассмотрения ее данным журналом, так как это может привести к продуктивному обсуждению и большему количеству ссылок на данную работу. (См. The Effect of Open Access).

Как цитировать

[1]
Мальтанова, А.М. и др. 2026. Электрокатализ реакции восстановления кислорода на мезопористых пленках TiO2, In2O3 и TiO2 – In2O3. Журнал Белорусского государственного университета. Химия. 2 (янв. 2026), 33–39. DOI:https://doi.org/10.33581/2520-257X-2025-2-%p.