ИСТИНА |
Войти в систему Регистрация |
|
ИСТИНА ПсковГУ |
||
В проекте будут решаться следующие задачи: направленное формирование растворимых молекулярных прекурсоров электрохимически осаждаемых оксидов; селективное осаждение целевых оксидных фаз, регулируемое потенциалом осаждения; регулирование катионного состава электроосажденных оксидов путем ионного обмена. В проекте предполагается исследование трех групп систем: (А) оксиды свинца(IV), (В) оксиды вольфрама, (С) оксиды марганца(III/IV). Потенциальными приложениями являются электрокатализ (материалы группы А) и перезаряжаемые электрохимические устройства (материалы групп B и С).
The project deals with the problem of room-temperature fabrication of the multi-component oxide coatings. In frames of this problem, the objectives are as follows: formation of soluble precursors of electrodeposited oxides; selective deposition of the target oxide phases controlled by deposition potential; tuning of cationic composition of electrodeposited oxides by means of ion exchange. These objectives as a whole, by addressing a number of model systems, will allow to work out an optimal approach to fabrication of multi-component oxides of various crystalline structures. Interplay of these objectives results from involvement of various interrelated phenomena related to solution equilibria (solvation, ionic association, formation of complex species), as well as to adsorption and electrochemical phenomena and crystals nucleation and growth. An important feature of the project is application of precise characterization techniques to electrodeposited thin films. Modification of oxide composition (doping, cation substitution) is still a matter of empiric search even for well-studied “classical” systems, i.e. for the processes of highly controlled electrocrystallization of individual oxides. The bottleneck is incomplete information about elementary steps of corresponding electrocrystallization reactions involving electrochemical, chemical, and sometimes also adsorption steps. Modification of oxides with doping elements can be considered not only as the instrument to improve the functional properties, but also as a diagnostic instrument to clarify the reaction mechanism. Multi-component oxide dominate among electrode materials used in devices of the modern electrochemical energy storage. These materials show higher functional characteristics as compared to simple oxides. Doping improves electrocatalytic activity (e.g. because of bifunctional behavior), reversible sorption capacity, characteristic recharging times. The project assumes the study of three groups of model materials. (A) Lead (IV) oxide, presenting a system of exact oxygen stoichiometry, can form only two crystalline modifications. This oxide also tends to self-dehydration in the course of electrodeposition. (B) Tungsten oxides are formed from soluble polyoxoanions resulting from polycondensation in solutions. Deposition of non-stoichiometric oxides is possible by means of cathodic electrocrystallization. Characterization of resulting materials assumes, in parallel with structural studies, also the study of oxygen stoichiometry and hydration degree. (C) Manganese (III/IV) oxides, the system which allows both anodic and cathodic electrocrystallization due to high number of available oxidation degrees (the project accents cathodic crystallization). This system is representative in respect to the problem of selective deposition of various crystalline modifications. Our target multi-component materials assume applications in electrocatalysis of reactions at high anodic potentials (materials of group A) and in rechargeable electrochemical devices, including electrochromic (materials of groups B and C). Corresponding functional characteristics of doped materials will be obtained experimentally in the course of the project implementation.
1 (для систем на основе диоксида свинца IV, A). Результаты количественного анализа транзиентов осаждения в присутствии добавок, в рамках количественных моделей нуклеации-роста. Структурные, микроструктурные и электрокаталитические характеристики однофазных допированных материалов; выявление материалов, обладающих наибольшей устойчивостью при потенциалах анодного выделения кислорода. Характеристика эффективности в процессах окисления органических веществ при высоких анодных потенциалах. 2 (для систем на основе оксида вольфрама, B) Зависимости молекулярного состава смешанных растворов вольфраматов и допирующих оксоанионов молибдата/ванадата от рН и концентрации (speciation). Заключение о возможности осаждения однофазных смешанных оксидов, электрохромные характеристики таких оксидов, итерпретация наблюдаемой взаимосвязи между составом молекулярных прекурсоров (изополианионов смешанного элеметного состава) и твердых продуктов осаждения. Заключение о перспективах расширения круга допирующих элементов на основании тестовых экспериментов. 3 (для систем на основе оксидов марганца IV/III, C) Выявление круга допирующих добавок, позволяющих получать однофазные материалы. Количественные сведения о перезаряжении таких осадков: обратимая емкость; вклады в эту величину процессов перезаряжения поверхности и объема; циклическая стабильность. Электронные спектры материалов и результаты анализа спектров. Экспериментальное исследование перспектив ионного обмена как метода варьирования состава оксида и улучшения характеристик его перезаряжения.
Основным направлением работы являлось исследование перезаряжаемых нестехиометрических осадков оксида марганца. [1] L.V. Pugolovkin, E.E. Levin, N.A. Arkharova, A.S. Orekhov, D.E. Presnov, G.A. Tsirlina // Journal of Electroanalytical Chemistry 874 (2020) 114521. [2] L.V. Pugolovkin, E.E. Levin, O.V. Cherstiouk, N.A. Rudina, G.A. Tsirlina // ECS Transactions 85 (2018) 137-145. [3] L.V. Pugolovkin, E.E. Levin, N.A. Arkharova, A.S. Orekhov, D.E. Presnov, G.A. Tsirlina // ECS Transactions 97 (2020) 749-755
Системы (A). Показана возможность кулонометрического мониторинга процесса осаждения диоксида свинца, найден оптимальный потенциал осаждения, позволяющий получать наиболее однородные по микроструктуре осадки. Электрокаталитическая активность в реакции выделения кислорода коррелирует с истинной поверхностью оксида. Модельный анализ зависимости хода начальных участков транзиентов от потенциала показал, что осаждение протекает с кинетическим контролем. Железо и кобальт мало влияют на кинетику роста осадка, допирование висмутом резко тормозит зарождение и рост оксида на малых временах. Содержание железа в осадках ниже предела обнаружения, в то время как содержание висмута достигает 35 ат. %. Осадки представляют собой смесь alfa- и beta-модификаций диоксида свинца. При допировании висмутом удельная поверхность осадка увеличивалась в ~10 раз. Величины наклонов токов в тафелевских координатах для осадка, полученного в растворе без добавок, близки к литературным значениям для beta- модификации диоксида свинца. Они слабо меняются при допировании висмутом и уменьшаются при допировании железом. По мере увеличения концентрации кобальта в растворе осаждения наблюдается систематическое увеличение скорости формирования и роста диоксида свинца. Осаждение протекает с кинетическим контролем, причем скорость увеличивается преимущественно в интервале 0 – 0.005 М. Полученные осадки представляют собой однофазный beta-диоксид свинца, причем содержание кобальта в них ниже предела обнаружения. Скорость выделения кислорода на поверхности полученных оксидов монотонно возрастает во всем исследованном интервале концентраций допанта. Осаждение с предварительной поляризацией позволило получить мелкокристаллические, плотные и однородные по толщине покрытия. Перенапряжение выделения кислорода снижается вместе с уменьшением их толщины. Осадки демонстрируют более стабильное значение стационарных потенциалов по сравнению с осадками, полученными путем обычного осаждения. Допирование способствует снижению стационарного потенциала окисления метилового оранжевого, что указывает на увеличение окислительной способности в этом случае. Системы (B). Установлено образование смешанных изополисоединений вольфрама с молибденом в долгоживущих метастабильных кислых растворах. Осадки, полученные из таких растворов, имеют различные потенциалы перезаряжения. Скорости осаждения меняются немонотонно при увеличении доли молибдата в растворе осаждения. Содержание молибдена в составе полученных пленок увеличивается в исследованном интервале и может составлять 33 моль.%. Пленки, полученные из растворов с содержанием Mo 0-20 моль.% являются однофазными, их структура отвечает твердым растворам молибдена в WO3•2H2O. При содержаниях Mo 30-40 моль.% осадки становятся сильно разупорядоченными. При допировании электронные спектры поглощения осадков существенно изменяются. Происходит увеличение эффективности окрашивания в ~5 раз при средних длинах волн в широком интервале потенциалов. Построена диаграмма концентрационного распределения пяти ключевых индивидуальных и смешанных полианионов от соотношения вольфрам:ванадий в метастабильных вольфрамат-ванадатных растворах. Осаждение из таких растворов позволяет увеличить скорости осаждения более чем в 10 раз в интервале 10-30 моль.% V. Показана корреляция между содержанием указанных ионов и регистрируемой скоростью осаждения. По данным элементного анализа сделано заключение о том, что ванадий не включается в твердые продукты осаждения. В связи с проблемой низких скоростей роста оксида вольфрама на проводящих стеклянных подложках исследована альтернативная возможность осаждения из растворов пероксо-комплексов на примере системы W-Mo. Хотя спектрофотометрия таких растворов позволяет предположить существование в них смешанных комплексов вольфрама и молибдена, молибден аналитически в осадках не обнаруживается, а расширение области обратимого перезаряжения выражено меньше, чем при осаждении из пересыщенных растворов. Найдены условия стабилизации тантала и ниобия в пересыщенных кислых вольфраматных растворах. Однако скорости осаждения пленок из таких растворов были слишком низкими для получения осадков с толщинами, пригодными для анализа и изучения. Тестовое осаждение из растворов, содержащих титан и никель, показало, что добавки первого замедляют осаждение, а второго ускоряют. Осаждение оксидов из таких растворов не приводило к получению допированных пленок. Системы (C). Индивидуальные оксиды марганца, осаждаемые при низких перенапряжениях из щелочных перманганатных растворов, а также аналогичные оксиды, допированные железом, ванадием, хромом, молибденом, висмутом и цинком представляют собой разупорядоченный бирнессит. Допирование танталом и молибденом не приводит к изменениям электрохимического поведения бирнессита. Незначительное увеличение удельной емкости наблюдается в случае допирования ванадием. Перечисленные элементы не обнаруживаются в осадках в аналитически определяемых количествах. Допирование висмутом и хромом возможно при низких потенциалах осаждения и сопровождается существенным увеличением удельной перезаряжаемой емкости оксида марганца. Их влияние на циклическую стабильность выражено слабо. Висмут допирует осадок и уверенно обнаруживается аналитически, в то время как хром не входит в состав в обнаружимых количествах. Допирование барием при осаждении резко снижает обратимо перезаряжаемую емкость. Цинк допирует осадок и обнаруживается аналитически, но не влияет на перезаряжаемость и стабильность. Длительное циклирование недопированного бирнессита в растворах, содержащих ионы Ba и Zn, приводит к смещению потенциалов его перезаряжения, указывая на изменение структуры и процессов интеркаляции ионов. Однако удельные емкости снижаются, а циклическая стабильность ухудшается, что указывает на отрицательный эффект такого ионного замещения. Допирование бирнессита железом изучено при совместном восстановлении перманганата и феррата. Увеличение содержания последнего в растворах приводит к систематическому изменению положения процессов перезаряжения получающегося бирнессита и увеличению содержания железа в осадках. Удельные емкости мало меняются при низких количествах железа в осадке, и убывают при высоких. Основным результатом этой части исследования является существенное увеличение катализа реакции выделения кислорода при допировании. В области потенциалов стабильности обратимое перезаряжение бирнессита происходит преимущественно путем перезаряжения поверхности. Интеркаляционное перезаряжение наблюдается в области потенциалов, отвечающих необратимому восстановлению, и протекает параллельно с этим процессом. Показано, что допирование железом позволяет влиять на характерные потенциалы интеркаляционных процессов. Циклическая стабильность электроосажденного бирнессита при перезаряжении в щелочных растворах выше, чем в нейтральных, а интервал потенциалов, отвечающий обратимому перезаряжению, шире в последнем случае (что рассматривается как преимущество нейтральных растворов). Показано, что этот широкий интервал является кажущимся: его границы "раздвигаются" благодаря изменению рН в приэлектродном слое при перезаряжении, но данный эффект чувствителен к объему материала и конвекции электролита, и поэтому обуславливает серьезные деградационные риски.
грант РНФ |
# | Сроки | Название |
1 | 1 января 2022 г.-31 декабря 2022 г. | Электрокристаллизация как метод получения функциональных оксидных покрытий сложного состава |
Результаты этапа: Системы (A). Выявлены характерные особенности транзиентов тока, регистрируемых при осаждении диоксида свинца: (а) резкий рост тока на начальных участках, отвечающий первичному зарождению; (b) максимум тока, предположительно отвечающий срастанию первичных кристаллов; (с) второй размытый максимум тока, предположительно отвечающий вторичному росту. Эти предположения обоснованы сопоставлением с данными электронной микроскопии осадков. Допирование Со несколько увеличивает скорость роста на участках (b) и (с), допирование висмутом резко тормозит зарождение и рост оксида на участке (а). Модельный анализ зависимости хода участков (а) от потенциала показал, что осаждение протекает с кинетическим контролем. Для всех полученных осадков до и после поляризации при потенциалах выделения кислорода проведена детальная микроструктурная/структурная характеристика методами сканирующей электронной микроскопии, рентгеновской дифрактометрии и элементного анализа. Показана возможность кулонометрического мониторинга процесса осаждения, найден оптимальный потенциал осаждения, позволяющий получать наиболее однородные по микроструктуре осадки. Показано, что содержание железа и кобальта в осадках ниже предела обнаружения, в то время как содержание висмута достигает 35 ат. %. В большинстве случаев осадки представляют собой смесь alfa- и beta-модификаций диоксида свинца. Допирование кобальтом позволяет получить однофазный beta-диоксид свинца. Электрокаталитическая активность в реакции выделения кислорода обнаружила корреляцию с истинной поверхностью оксида, оцененной по величине общей поляризационной емкости при потенциалах, предшествующих области выделения кислорода. При допировании висмутом поверхность увеличивалась в ~10 раз. Показано, что величины наклонов токов в тафелевских координатах для осадка, полученного в растворе без добавок, близки к литературным значениям для beta- модификации диоксида свинца и меняются при допировании. При допировании кобальтом и железом наблюдается снижение наклонов при фиксированном потенциале. Системы (B). Методом спектрофотометрии установлено образование смешанных изополисоединений вольфрама с ванадием и вольфрама с молибденом в долгоживущих метастабильных кислых растворах. Для системы вольфрам-ванадий построена диаграмма концентрационного распределения пяти ключевых индивидуальных и смешанных полианионов от соотношения вольфрам:ванадий. По данным элементного анализа сделано заключение о том, что молибден включается в твердые продукты осаждения, чего не наблюдается в случае ванадия. Допирование молибденом влияет на электрохромные характеристики осадков, предварительно оцениваемые на данном этапе по интервалу потенциалов обратимого перезаряжения и (косвенно) по электронным спектрам поглощения, измеряемым ex situ. В связи с проблемой низких скоростей роста оксида вольфрама на проводящих подложках из допированного фтором оксида олова на примере системы W-Mo исследована альтернативная возможность осаждения из растворов пероксо-комплексов. Хотя спектрофотометрия таких растворов позволяет предположить существование в них смешанных комплексов вольфрама и молибдена, молибден аналитически в осадках не обнаруживается, а расширение области обратимого перезаряжения выражено меньше, чем при осаждении из пересыщенных растворов. Найдены условия стабилизации тантала и ниобия в пересыщенных кислых вольфраматных растворах. Однако время жизни таких растворов оказалось значительно меньше, чем метастабильного раствора вольфрамата, а скорости осаждения были слишком низкими для получения осадков с толщинами, пригодными для анализа и изучения. Тестовое осаждение из растворов, содержащих титан и никель, показало, что добавки первого замедляют осаждение, а второго ускоряют. Осаждение оксидов из таких растворов не приводило к получению допированных пленок, в связи с чем расширение круга допирующих добавок указанными элементами признано бесперспективным. Системы (C). Индивидуальные оксиды марганца, осаждаемые при низких перенапряжениях из щелочных перманганатных растворов, а также аналогичные оксиды, допированные железом, ванадием, хромом, молибденом, висмутом и цинком представляют собой разупорядоченный бирнессит. Допирование не влияет на степень упорядочения. Соосаждение индивидуальных оксидов допирующих элементов в условиях проведенных экспериментов исключено. Допирование бирнессита железом приводит к некоторому увеличению циклической стабильности, а также к изменению положения одного из пиков на вольтамперограммах. При этом величина удельной емкости не изменяется. Допирование барием резко снижает обратимо перезаряжаемую емкость. Цинк обнаруживается в осадке бирнессита и влияет на процесс его катодного восстановления, но не влияет на перезаряжаемость и стабильность. Допирование висмутом, танталом и молибденом не приводит к изменениям электрохимического поведения бирнессита. Незначительное увеличение удельной емкости наблюдается в случае допирования хромом и ванадием. Все перечисленные элементы не обнаруживаются в осадках в аналитически определяемых количествах. В области потенциалов стабильности обратимое перезаряжение бирнессита происходит преимущественно путем перезаряжения поверхности (материал характеризуется высокой удельной поверхностью). Интеркаляционное перезаряжение наблюдается в области потенциалов, отвечающих необратимому восстановлению, и протекает параллельно с этим процессом. Показано, что допирование железом позволяет влиять на характерные потенциалы интеркаляционных процессов. Тестовые измерения спектров осадков показали необходимость оптимизации процедуры осаждения осадков из щелочных растворов на проводящее стекло. Циклическая стабильность электроосажденного бирнессита при перезаряжении в щелочных растворах выше, чем в нейтральных, а интервал потенциалов, отвечающий обратимому перезаряжению, шире в последнем случае (что рассматривается как преимущество нейтральных растворов). Показано, что этот широкий интервал является кажущимся: его границы "раздвигаются" благодаря изменению рН в приэлектродном слое при перезаряжении, но данный эффект чувствителен к объему материала и конвекции электролита, и поэтому обуславливает серьезные деградационные риски. | ||
2 | 1 января 2023 г.-31 декабря 2023 г. | Электрокристаллизация как метод получения функциональных оксидных покрытий сложного состава |
Результаты этапа: Системы (A). Показано, что наибольшая стабильность осадков, полученных в растворах с добавками нитрата кобальта(II), наблюдается при определенной ранее на 1-ом этапе проекта величине потенциала 1.7 В (AgCl/Ag). В связи с этим осаждение проводили при этом значении. По мере увеличения концентрации допанта от 0 до 0.02 М в растворе осаждения наблюдается систематический сдвиг положения второго максимума на транзиентах к меньшим временам, что указывает на увеличение скорости роста кристаллов диоксида свинца. Модельный анализ зависимости хода начальных участков транзиентов показал, что осаждение во всех случаях протекает с кинетическим контролем, причем наклон зависимостей увеличивается преимущественно в интервале 0 – 0.005 М. Никаких признаков влияния концентрации допанта на устойчивость осадков к отслоению не было обнаружено. Скорость выделения кислорода на поверхности полученных оксидов монотонно возрастает вместе с увеличением концентрации кобальта при осаждении. При этом повышение концентрации до 0.02 М против 0.01 М нецелесообразно, так как скорость выделения кислорода изменяется несущественно. В то же время, добавки даже очень низких количеств допанта до 0.0025 М приводят к существенному снижению тафелевского наклона и ускорению реакции. Осаждение с предварительной поляризацией позволило получить мелкокристаллические, плотные и однородные по толщине покрытия, что было подтверждено в серии экспериментов с варьированием заряда осаждения. Тонкие осадки толщиной до 0.25 Кл/см2, получаемые этим путем, продемонстрировали наибольшую устойчивость к отслоению при потенциалах анодного выделения кислорода, что подтверждено микроскопически. Перенапряжение выделения кислорода снижается вместе с уменьшением толщины. При сопоставимых кулонометрических толщинах такие осадки демонстрируют более стабильное значение потенциала в стационарных испытаниях по сравнению с осадками, полученными путем обычного осаждения. Какого-то выраженного влияния допирования осадка на скорость окисления метилового оранжевого в сравнительных экспериментах не было обнаружено. Однако допированные осадки демонстрируют значительное снижение стационарного потенциала окисления, что указывает на увеличение окислительной способности. Процесс окисления метилового оранжевого на допированном осадке сопровождается образованием большего количества полициклических соединений, что показано спектроскопически. Системы (B). Осадки, полученные из смешанных вольфрамат-молибдатных метастабильных растворов, характеризуются различными потенциалами перезаряжения. Скорости осаждения меняются немонотонно при увеличении доли молибдата в растворе осаждения. При 20-30 моль.% Mo наблюдается существенное снижение скорости осаждения, при 40 моль.% величины вновь возрастают, после чего снижаются до нуля. Наблюдаемое различие связано с изменением состава полианионных прекурсоров в растворе. Содержание молибдена в составе полученных пленок увеличивается в исследованном интервале и может составлять по меньшей мере 33 моль.%. Пленки, полученные из растворов с содержанием Mo 0-20 моль.% являются однофазными, и их структура отвечает гидрату вольфрамовой кислоты WO3•2H2O. Наличие молибдена в составе позволяет заключить, что происходит замещение атомов вольфрама на молибден с образованием твердых растворов. При содержаниях Mo 30-40 моль.% осадки становятся сильно разупорядоченными и надежная интерпретация их состава затруднена. При допировании электронные спектры поглощения пленок полученных оксидов существенно изменяются. Происходит увеличение эффективности окрашивания в ~5 раз при средних длинах волн в широком интервале потенциалов. Осадки, допированые молибденом до 20-40 моль.%, демонстрируют интенсивную полосу окрашивания при высоких потенциалах в длинноволновой области спектра, относительная интенсивность которой возрастает по мере увеличения содержания молибдена. Осаждение из вольфрамат-ванадатных растворов позволяет увеличить скорости осаждения в 10-15 раз в интервале 10-30 моль.% V, причем существенное возрастание наблюдается даже при очень низких его содержаниях. Основными прекурсорами, отвечающими за повышение скорости осаждения, являются декавольфрамат и пентавольфрамованадат анионы. Показана корреляция между содержанием указанных ионов и регистрируемой скоростью осаждения. Полученные осадки почти не содержат V, что показано аналитически. Системы (C). Допирование висмутом и хромом сопровождается существенным увеличением удельной перезаряжаемой емкости оксида марганца. Влияние на циклическую стабильность материалов выражено слабо. Висмут допирует осадок и уверенно обнаруживается аналитически, в то время как хром не входит в состав осадков в обнаружимых количествах. При допировании уменьшается глобулярность осадков и наблюдается образование крупных пор. На основе анализа электронных спектров поглощения полученных оксидов можно заключить, что допирование приводит к повышению структурного разупорядочения (аморфизации) получаемых осадков. Влияние железа выражено при осаждении бирнессита из 1 и 7 М NaOH. Увеличение содержания феррата в растворах приводит к систематическому изменению положения процессов перезаряжения получающегося бирнессита и увеличению содержания железа в нем, что подтверждено аналитически. Удельные емкости мало изменяются при низких количествах железа в осадке, и убывают при высоких. Осаждение в 7 М NaOH продемонстрировало в целом меньшую воспроизводимость, а циклическая стабильность полученных в этом случае оксидов оказалась ниже. В связи с этим основное внимание было уделено изучению осаждения из растворов 1 М NaOH. Основным результатом этой части исследования является существенное улучшение каталитических свойств осадков в реакции выделения кислорода при допировании. Величины тафелевского наклона уменьшаются в 2.5 раза, а перенапряжение выделения кислорода может быть снижено на 90 мВ при содержании железа 10 моль.% для осадков, полученных в 1 М NaOH. Длительное циклирование бирнессита в растворах, содержащих ионы Ba и Zn приводит к смещению потенциалов его перезаряжения, указывая на изменение структуры и процессов интеркаляции ионов. Однако удельные емкости снижаются, а циклическая стабильность ухудшается, что указывает на отрицательный эффект такого ионного замещения. |
Для прикрепления результата сначала выберете тип результата (статьи, книги, ...). После чего введите несколько символов в поле поиска прикрепляемого результата, затем выберете один из предложенных и нажмите кнопку "Добавить".