СИНТЕЗ ТА ФУНКЦІОНАЛЬНІ ВЛАСТИВОСТІ TіO2-Pt/Pd-СИСТЕМ ДЛЯ ЕЛЕКТРОКАТАЛІЗУ
DOI: https://doi.org/10.17721/1728-2209.2025.1(60).13
Ключові слова:
субоксид титану, інкапсуляція, благородні метали, виділення кисню, напівпровідникові властивості.Анотація
Вступ. У роботі представлено результати створення та комплексної характеристики нових електрокаталітичних композитів на основі пористого TiO2, модифікованого Pt і Pd. Мета дослідження – розробка ефективних і стабільних систем для процесів, що перебігають за високих анодних потенціалів, зокрема реакції виділення кисню.
Методи. Матрицю TiO₂ отримували двоетапним анодуванням титанової фольги в електролітах на основі етиленгліколю з NH4F і H3PO4, а потім відновлювали в розчині HClO4. Такий підхід забезпечив контроль над морфологією та питомою поверхнею оксидного шару. Модифікацію Pt і Pd здійснювали гальванічним осадженням із подальшим відпалом за 500 °C на повітрі, що сприяло окисненню поверхні та інкапсуляції металевих частинок у матрицю TiO2. Морфологію та фазовий склад вивчали методами скануючої мікроскопії, мікроаналізу та рентгенівської дифракції.
Результати. Встановлено наявність розвиненої пористої структури з рівномірним розподілом нанокластерів Pt і Pd. Основна фаза – анатаз; також виявлено металічні Pt, Pd і PdO. Електрохімічні дослідження (вольтамперометрія, імпедансна спектроскопія) у 1 M HClO4 показали n-тип провідності з високою концентрацією носіїв заряду (аналіз Мотта–Шотткі). Композит TiO2–Pt продемонстрував найвищу активність у реакції виділення кисню (нахил Тафеля 122 мВ/дек). Біметалічна система мала більший нахил (172 мВ/дек), що свідчить про складніший механізм, однак відзначалася винятковою стабільністю: понад 215 годин без втрати активності за 0,5 А в 1 M HClO4. Для порівняння, електрод, модифікований лише Pd, виявився нестійким.
Висновки. Виявлено зв’язок між умовами синтезу, структурними характеристиками та електрокаталітичними властивостями матеріалів. Розроблені композити мають значний потенціал як довговічні аноди для електрохімічних процесів та можуть стати основою для створення нових (фото)електрокаталізаторів зі зниженим вмістом благородних металів.
Посилання
Akbashev, A. R. (2022). Electrocatalysis on oxide surfaces: Fundamental challenges and opportunities. Current Opinion in Electrochemistry, 35, 101095. https://doi.org/10.1016/j.coelec.2022.101095
Chen, Y., Soler, L., Armengol-Profitos, M., Xie, C., Crespo, D., & Llorca, J. (2022). Enhanced photoproduction of hydrogen on Pd/TiO2 prepared by mechanochemistry. Applied Catalysis B: Environmental, 309, 121275. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121275
Chen, C., Tang, Y., Wu, C., Yin, C., Zhang, L., Wang, K., & Zhu, J. (2024). Adsorption of titanium-aluminum layered hydroxides for removal of fluorine at low concentrations in water. Desalination and Water Treatment, 320, 100664. https://doi.org/10.1016/j.dwt.2024.100664
Del Olmo, R., Tynkevych, O., Lazinska, M., Syrek, K., Durejko, T., Czerwinski, M., Zaraska, L., Tiwari, R., & Michalska-Domanska, M. (2025). Anodizing of iron-based alloys: fundamentals, recent progress, and applications. Reports on Progress in Physics, 88, 026501. https://doi.org/10.1088/1361-6633/ad959b
Kasian, O. I., Luk’yanenko, T. V., Demchenko, P., Gladyshevskii, R. E., Amadelli, R., & Velichenko, A. B. (2013). Electrochemical properties of thermally treated platinized Ebonex® with low content of Pt. Electrochimica Acta, 109, 630–637. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.07.162
Knysh, V., Shmychkova, O., Luk’yanenko, T., & Velichenko, A. (2025a). Influence of platinum content and thermal treatment on electrochemical properties of anodically synthesized titanium suboxides. Theoretical and Experimental Chemistry. https://doi.org/10.1007/s11237-025-09844-w
Knysh, V., Zhemela, H., Shmychkova, O., Luk'yanenko, T., & Velichenko, A. (2025b). Design, fabrication and functional properties of titanium suboxide-based composites with low noble metal content for electrocatalytic applications. Journal of Electrochemical Science and Engineering. http://dx.doi.org/10.5599/jese.2708
Knysh, V., Shmychkova, O., Luk’yanenko, T., & Velichenko, A. (2025c). Electrochemical properties of TiOx–Pt composites. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 4, 4–12. https://doi.org/10.32434/0321-4095-2025-161-4-4-12
Knysh, V. O., Shmychkova, O. B., Luk’yanenko, T. V., Pukas, S. Ya., Demchenko, P. Yu., & Gladyshevskii, R. E. (2025d). Optimization of the functional properties of anodically synthesized titanium dioxide with platinum-palladium-TiO2 composites. Materials Science, 60, 482–490. https://doi.org/10.1007/s11003-025-00908-8
Knysh, V., Shmychkova, O., Luk’yanenko, T., et al. (2023). Structure, morphology and phase composition of anodized titanium dioxide nanotubes loaded with Pt and Pd. Voprosy Khimii i Khimicheskoi Tekhnologii, 5, 43–49. http://dx.doi.org/10.32434/0321-4095-2023-150-5-43-49
Manzoor, S., Ashraf, M. W., Tayyaba, S., Tariq, M. I., & Hossain, M. K. (2022). Recent progress of fabrication, characterization, and applications of anodic aluminum oxide (AAO) Membrane: A Review. CMES - Computer Modeling in Engineering & Sciences, 135, 1007–1052. https://doi.org/10.32604/cmes.2022.022093
Nematov, D. (2024). Тitanium dioxide and photocatalysis: a detailed overview of the synthesis, applications, challenges, advances and prospects for sustainable development. Journal of Modern Green Energy, 3, 6. https://doi.org/10.53964/jmge.2024006
Ozkar, S. (2009). Enhancement of catalytic activity by increasing surface area in heterogeneous catalysis. Applied Surface Science, 256, 1272–1277. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2009.10.036
Quiroz, H. P., Quintero, F., Arias, P. J., Dussan, A., & Zea, H. R. (2015). Effect of fluoride and water content on the growth of TiO2 nanotubes synthesized via ethylene glycol with voltage changes during anodizing process. Journal of Physics: Conference Series, 614, 012001. https://doi.org/10.1088/1742-6596/614/1/012001
Suhan, M. B. K., Al-Mamun, M. R., Farzana, N., Aishee, S. M., Islam, M. S., Marwani, H. M., Hasan, M. M., Asiri, A. M., Rahman, M. M., Islam, A., & Awual, M. R. (2023). Sustainable pollutant removal and wastewater remediation using TiO2-based nanocomposites: A critical review. Nano-Structures & Nano-Objects, 36, 101050. https://doi.org/10.1016/j.nanoso.2023.101050
Tasic, G. S., Miljanic, S. S., Kaninski, M. P. M., Saponjic, D. P., & Nikolic, V. M. (2009). Non-noble metal catalyst for a future Pt free PEMFC. Electrochemistry Communications, 11, 2097–2100. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2009.09.003
Usoltsev, O., Stoian, D., Skorynina, A., Kozyr, E., Njoroge, P. N., Pellegrini, R., Groppo, E., van Bokhoven, J. A., & Bugaev, A. (2024). Restructuring of Palladium nanoparticles during oxidation by molecular oxygen. Nano Micro Small, 20, 2401184. https://doi.org/10.1002/smll.202401184
Wang, Y., Zhang, Y., Zhu, X., Liu, Y., & Wu, Z. (2022). Fluorine-induced oxygen vacancies on TiO2 nanosheets for photocatalytic indoor VOCs degradation. Applied Catalysis B: Environmental, 316, 121610. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121610
Wang, T., Chutia, A., Brett, D. J. L., Shearing, P. R., He, G., Chai, G., & Parkin, I. P. (2021). Palladium alloys used as electrocatalysts for the oxygen reduction reaction. Energy & Environmental Science, 14, 2639–2669. https://doi.org/10.1039/D0EE03915B
Zhu, L., Lu, Q., Lv, L., Wang, Y., Hu, Y., Deng, Z., Lou, Z., Hou, Y., & Teng, F. (2017). Ligand-free rutile and anatase TiO2 nanocrystals as electron extraction layers for high performance inverted polymer solar cells. RSC Advances, 7, 20084–20092. https://doi.org/10.1039/C7RA00134G
Zielinska-Jurek, A., & Hupka, J. (2013). Preparation and characterization of Pt/Pd-modified titanium dioxide nanoparticles for visible light irradiation. Catalysis Today, 230, 181–187. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2013.09.045
Завантаження
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2025 Дмитро КОВТУНОВ, Сергій ЧЕРНИХ, Валентина КНИШ, Олеся ШМИЧКОВА, Тетяна ЛУК'ЯНЕНКО, Олександр ВЕЛІЧЕНКО
Ця робота ліцензується відповідно до ліцензії Creative Commons Attribution 4.0 International License.
