ВЛИЯНИЕ ПОВЕРХНОСТНОЙ ОБРАБОТКИ НА ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКУЮ АКТИВНОСТЬ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА Ti3SiC2/TiC/TiSi В РЕАКЦИИ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА
Аннотация
Изучено влияние обработки поверхностного слоя композиционного материала Ti3SiC2/TiC/TiSi на его электрохимическую активность в реакции выделения водорода в 0,5M H2SO4. Обработка поверхности проведена путем химического травления в растворах 15, 30, 45% HF в течение 15, 30, 45 мин при 25 и 60 °С. Установлено, что катодные поляризационные кривые Ti3SiC2/TiC/TiSi-электрода без обработки и с обработкой поверхности имеют тафелевский участок с наклоном 0,060-0,076 В и характеризуются величиной перенапряжения 0,20-0,26 В при i = 1 мА/см2. Скорость катодной реакции в результате обработки повышается в ~1,6-9,8 раза; наибольшее увеличение вызывает высокотемпературное травление в растворе 30% HF в течение 30 мин при перемешивании раствора. Спектры импеданса Ti3SiC2/TiC/TiSi-электрода при потенциалах тафелевской области состоят из емкостной полуокружности со смещенным центром; на графиках импеданса обработанного электрода в области наиболее высоких частот зарегистрирован прямолинейный участок с наклоном выше 45º, свидетельствующий о присутствии пор в поверхностном слое электрода. Для описания реакции выделения водорода на Ti3SiC2/TiC/TiSi использована эквивалентная электрическая схема, фарадеевский импеданс которой состоит из последовательно соединенных сопротивления переноса заряда R1 и параллельной R2C2-цепочки, отвечающей за адсорбцию атомарного водорода на поверхности электрода; эквивалентная схема также включает сопротивление электролита Rs и импеданс двойнослойной емкости, который моделируется элементом постоянной фазы СРЕ1. Показано, что результаты поляризационных и импедансных измерений удовлетворительно согласуются с механизмом разряд – электрохимическая десорбция с квазиравновесной стадией разряда при выполнении логарифмической изотермы адсорбции Темкина для адсорбированного атомарного водорода. Сделан вывод, что композиционный материал Ti3SiC2/TiC/TiSi в сернокислом электролите представляет перспективный электродный материал для электрохимического получения водорода.
Для цитирования:
Пантелеева В.В., Пономарева А.Е., Фирсова О.А., Шеин А.Б., Каченюк М.Н. Влияние поверхностной обработки на электрохимическую активность композиционного материала Ti3SiC2/TiC/TiSi в реакции выделения водорода. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 2. С. 37-45. DOI: 10.6060/ivkkt.20246702.6878.
Литература
Kovac A., Paranos M., Marcius D. Hydrogen in energy transition: A review. Int. J. Hydrog. Energy. 2021. V. 46. N 16. P. 10016-10035. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2020.11.256.
Baykara S.Z. Hydrogen: A brief overview on its sources, production and environmental impact. Int. J. Hydrog. Energy. 2018. V. 43. N 23. P. 10605-10614. DOI: 10.1016/j.ijhydene. 2018.02.022.
Tarhan G., Cil M.A. A study on hydrogen, the clean energy of the future: Hydrogen storage methods. J. Energy Storage. 2021. V. 40. P. 102676-102685. DOI: 10.1016/j.est.2021.102676.
Nikolaidis P., Poullikkas A. A comparative overview of hydrogen production processes. Renew. Sustain. Energy Rev. 2017. V. 67. P. 597-611. DOI: 10.1016/j.rser.2016.09.044.
Wirth S., Harnisch F., Weinmann M., Schröder U. Comparative study of IVB-VIB transition metal compound electro-catalysts for the hydrogen evolution reaction. Appl. Catal. B: Environ. 2012. V. 126. P. 225-230. DOI: 10.1016/j.apcatb.2012.07.023.
Eftekhari A. Electrocatalysts for hydrogen evolution reaction. Int. J. Hydrog. Energy. 2017. V. 42. N 16. P. 11053-11077. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.02.125.
Verma J., Goel S. Cost-effective electrocatalysts for Hydrogen Evolution Reactions (HER): Challenges and Prospects. Int. J. Hydrog. Energy. 2022. V. 47. N 92. P. 38964-38982. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.09.075.
Zhang Z., Duan X., Jia D., Zhou Y., Sybrand Z. On the formation mechanisms and properties of MAX phases: A review. J. Eur. Ceram. Soc. 2021. V. 41. N 7. P. 3851-3878. DOI: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.02.002.
Rosli N.F., Nasir M.Z.M., Antonatos N., Sofer Z., Dash A., Gonzalez-Julian J., Fisher A.C., Webster R.D., Pumera M. MAX and MAB Phases: Two-Dimensional Lay-ered Carbide and Boride Nanomaterials for Electrochemical Applications. ACS Appl. Nano Mater. 2019. V. 2. N 9. P. 6010-6021. DOI: 10.1021/acsanm.9b01526.
Kumar K.P.A., Alduhaish O., Pumera M. Electrocatalytic activity of layered MAX phases for the hydrogen evolution reaction. Electrochem. Commun. 2021. V. 125. 106977. DOI: 10.1016/j.elecom.2021.106977.
Jovic V.D., Jovic B.M., Gupta S., El-Raghy T., Barsoum M.W. Corrosion behavior of select MAX phases in NaOH, HCl and H2SO4. Corros. Sci. 2006. V. 48. N 12. P. 4274-4282. DOI: 10.1016/j.corsci.2006.04.005.
Travaglini J., Barsoum M.W., Jovic V., El-Raghy T. The corrosion behavior of Ti3SiC2 in common acids and dilute NaOH. Corros. Sci. 2003. V. 45. N 6. P. 1313-1327. DOI: 10.1016/S0010-938X(02)00227-5.
Jaccaud M., Leroux F., Millet J.C. New chloralkali activated cathodes. Mater. Chem. Phys. 1989. V. 22. N 1-2. P. 105-119. DOI: 10.1016/0254-0584(89)90033-3.
Safizadeh F., Ghali E., Houlachi G. Electrocatalysis developments for hydrogen evolution reaction in alkaline solutions – A Review. Int. J. Hydrog. Energy. 2015. V. 40. N 1. P. 256-274. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2014.10.109.
Rad P.J., Aliofkhazraei M., Darband Gh.B. Ni-W nanostructure well-marked by Ni selective etching for en-hanced hydrogen evolution reaction. Int. J. Hydrog. Energy. 2019. V. 44. N 2. P. 880-894. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2018.11.026.
Shi J., Qiu F., Yuan W., Guo M., Yuan C., Lu Z.-H. Novel electrocatalyst of nanoporous FeP cubes prepared by fast electrodeposition coupling with acid-etching for efficient hy-drogen evolution. Electrochim. Acta. 2020. V. 329. 135185. DOI: 10.1016/j.electacta.2019.135185.
Ponomareva A.E., Panteleeva V.V., Shein A.B. Electro-chemical activity of titanium disilicide in hydrogen evolution reaction in alkaline electrolyte. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 3. P. 52-59 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20226503.6495.
Handoko A.D., Fredrickson K.D., Anasori B., Convey K.W., Johnson L.R., Gogotsi Yu., Vojvodic A., She Z.W. Tuning the Basal Plane Functionalization of Two-Dimensional Metal Carbides (MXenes) to Control Hydrogen Evolution Activity. ACS Appl. Energy Mater. 2018. V.1. N 1. P. 173-180. DOI: 10.1021/acsaem.7b00054.
Zhang Ch.J., Ma Y., Zhang X., Abdolhosseinzadeh S., Sheng H., Lan W., Pakdel A., Heier J., Nuesch F. Two-Dimensional Transition Metal Carbides and Nitrides (MXenes): Synthesis, Properties, and Electrochemical Energy Storage Applications. Energy Environ. Mater. 2020. V. 3. N 1. P. 29-55. DOI: 10.1002/eem2.12058.
Bai S., Yang M., Jiang J.,He X., Zou J., Xiong Z., Liao G., Liu S. Recent advances of MXenes as electrocatalysts for hydrogen evolution reaction. Npj 2D Mater. Appl. 2021. V. 5. N 78. P. 1-15. DOI: 0.1038/s41699-021-00259-4.
Li Yu., Zhang B., Wang W., Shi X., Zhang J., Wang R., He B., Wang Q., Jiang J., Gong Y., Wang H. Selective-etching of MOF toward hierarchical porous Modoped CoP/N-doped carbon nanosheet arrays for efficient hydrogen evolution at all pH values. Chem. Eng. J. 2021. V. 405. 126981. DOI: 10.1016/j.cej.2020.126981.
Chen X., Li D., Wen Y., Zhang H., Li Yu., Ni H. Favorable surface etching of NiRuFe(OH)x in neutral hydrogen evolution reaction. Catal. Today. 2022. V. 400-401. P. 1-5. DOI: 10.1016/j.cattod.2022.04.005.
Antsiferov V.N., Kachenyuk M.N., Smetkin A.A. Packing and phase formation regularities in Ti-SiC-C system at spark-plasma sintering. Novye Ogneupory. 2015. N 4. P. 16-19 (in Russian). DOI: 10.17073/1683-4518-2015-4-16-19.
Orazem M.E., Tribollet B. Electrochemical Impedance Spectroscopy. Hoboken: John Wiley and Sons. 2008. 533 p.
Mikeska K.R., Bennison S.J., Grise S.L. Corrosion of Ceramics in Aqueous Hydrofluoric Acid. J. Am. Ceram. Soc. 2000. V. 83. N 5. P. 1160-1164. DOI: 10.1111/J.1151-2916.2000.TB01348.X.
Alhabeb M., Maleski K., Mathis T.S., Sarycheva A., Hatter Ch.B., Uzun S., Levitt A., Gogotsi Yu. Selective Etching of Silicon from Ti3SiC2 (MAX) Produces 2D Titanium Carbide (MXene). Angew. Chem. Int. Ed. 2018. V. 57. N 19. DOI: 10.1002/anie.201802232.
Samsonov G.V., Dvorina L.A., Rud' B.M. Silicides. M.: Metallurgiya. 1979. 272 p. (in Russian).
Thissen P., Seitz O., Chabal Y.J. Wet chemical surface functionalization of oxide-free silicon. Prog. Surf. Sci. 2012. V. 87. N 9-12. P. 272-290. DOI: 10.1016/j.progsurf.2012.10.003.
Panteleeva V.V., Ponomareva A.E., Firsova O.A., Shein A.B., Kachenyuk M.N. Electrochemical activity of Ti3SiC2/TiC composite material in the hydrogen evolution reaction. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2023. V. 66. N. 12. P. 117-123 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20236612.6774.
Lasia A. Modeling of impedance of porous electrode. In: Modern Aspects of Electrochemistry. N 43. Ed. by M. Schlesinger. New York: Springer. 2009. P. 67-137.
Harrington D.A., Conway B.E. Impedance of Faradaic reactions involving electrosorbed intermediates – I. Kinetic theory. Electrochim. Acta. 1987. V. 32. N 12. P.1703-1712. DOI: 10.1016/0013-4686(87)80005-1.
Kichigin V.I., Shein A.B. Diagnostic criteria for hydrogen evolution mechanisms in electrochemical impedance spectroscopy. Electrochim. Acta. 2014. V. 138. P. 325-333. DOI: 10.1016/j.electacta.2014.06.114.
Thomas J.G.N. Kinetics of electrolytic hydrogen evolution and the adsorption of hydrogen by metals. Trans. Farad. Soc. 1961. V. 57. N 9. P. 1603-1611. DOI: 10.1039/TF9615701603.
Krishtalik L.I. Electrode reactions. The mechanism of the elementary act. M.: Nauka. 1979. 224 p. (in Russian).
