Электрокристаллизация как метод получения функциональных оксидных покрытий сложного составаНИР

Electrocrystallization as a technique to obtain functional oxide coatings of complex composition

Источник финансирования НИР

грант РНФ

Этапы НИР

# 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.

Прикрепленные к НИР результаты

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".