Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO
Исследованы электрокаталитические свойства электродов на основе нанодисперсного оксида цинка, полученного электрохимическим методом, при электровосстановлении растворенного кислорода. Из фотоэлектро-химических исследований определен средний размер наночастиц ZnO в пленке d = 4—5 нм. Показано, что...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
|---|---|
| Дата: | 2008 |
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України
2008
|
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76177 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO / В.С. Воробец, И.Г. Колбасова, О.В. Линючева // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 839-844. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859861249053949952 |
|---|---|
| author | Воробец, В.С. Колбасова, И.Г. Линючева, О.В. |
| author_facet | Воробец, В.С. Колбасова, И.Г. Линючева, О.В. |
| citation_txt | Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO / В.С. Воробец, И.Г. Колбасова, О.В. Линючева // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 839-844. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології |
| description | Исследованы электрокаталитические свойства электродов на основе нанодисперсного оксида цинка, полученного электрохимическим методом,
при электровосстановлении растворенного кислорода. Из фотоэлектро-химических исследований определен средний размер наночастиц ZnO в
пленке d = 4—5 нм. Показано, что совместное осаждение наночастиц ZnO и
эозина Н приводит к уменьшению потенциала восстановления O2. Установлено, что электроды на основе нанодисперсного ZnO имеют стабильные характеристики в процессе электровосстановления О2 в физиологическом растворе NaCl.
Досліджено електрокаталітичні властивості електрод на основі нанодисперсного оксиду цинку, одержаного електрохемічною методою, при електровідновленні розчиненого кисню. Із фотоелектрохемічних досліджень
визначено середній розмір наночастинок ZnO у плівці d = 4—5 нм. Показано, що сумісне осадження наночастинок ZnO та еозину Н призводить до
зменшення потенціялу відновлення O2. Встановлено, що електроди на
основі нанодисперсного ZnO мають стабільні характеристики у процесі
електровідновлення О2 у фізіологічнім розчині NaCl.
Electrocatalytic properties of electrodes based on nanodispersed zinc oxide obtained
by an electrochemical method at dissolved-oxygen electroreduction are
investigated. The mean size of ZnO nanoparticles in a film determined from photoelectrochemical
investigations is d = 4—5 nm. As shown, the co-deposition of
ZnO nanoparticles and eosin Н results in decrease of O2 reduction potential. As
revealed, the electrodes based on nanodispersed ZnO have stable characteristics
during О2 electroreduction in physiological NaCl solution.
|
| first_indexed | 2025-12-07T15:45:40Z |
| format | Article |
| fulltext |
839
PACS numbers: 81.15.Lm, 81.16.Be, 81.16.Hc, 81.16.Pr, 82.45.Jn, 82.45.Yz, 82.47.-a
Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе
нанодисперсного ZnO
В. С. Воробец, И. Г. Колбасова*, О. В. Линючева*
Институт общей и неорганической химии НАН Украины,
просп. Аккад. Паладина, 32/34,
03680, ГСП, Киев-142, Украина
*Национальный технический университет «КПИ»,
просп. Победы, 37,
03056 Киев, Украина
Исследованы электрокаталитические свойства электродов на основе на-
нодисперсного оксида цинка, полученного электрохимическим методом,
при электровосстановлении растворенного кислорода. Из фотоэлектро-
химических исследований определен средний размер наночастиц ZnO в
пленке d = 4—5 нм. Показано, что совместное осаждение наночастиц ZnO и
эозина Н приводит к уменьшению потенциала восстановления O2. Уста-
новлено, что электроды на основе нанодисперсного ZnO имеют стабиль-
ные характеристики в процессе электровосстановления О2 в физиологиче-
ском растворе NaCl.
Досліджено електрокаталітичні властивості електрод на основі нанодис-
персного оксиду цинку, одержаного електрохемічною методою, при елек-
тровідновленні розчиненого кисню. Із фотоелектрохемічних досліджень
визначено середній розмір наночастинок ZnO у плівці d = 4—5 нм. Показа-
но, що сумісне осадження наночастинок ZnO та еозину Н призводить до
зменшення потенціялу відновлення O2. Встановлено, що електроди на
основі нанодисперсного ZnO мають стабільні характеристики у процесі
електровідновлення О2 у фізіологічнім розчині NaCl.
Electrocatalytic properties of electrodes based on nanodispersed zinc oxide ob-
tained by an electrochemical method at dissolved-oxygen electroreduction are
investigated. The mean size of ZnO nanoparticles in a film determined from pho-
toelectrochemical investigations is d = 4—5 nm. As shown, the co-deposition of
ZnO nanoparticles and eosin Н results in decrease of O2 reduction potential. As
revealed, the electrodes based on nanodispersed ZnO have stable characteristics
during О2 electroreduction in physiological NaCl solution.
Ключевые слова: наночастицы ZnO, электрокаталитическая активность,
восстановление кислорода.
Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології
Nanosystems, Nanomaterials, Nanotechnologies
2008, т. 6, № 3, сс. 839—844
© 2008 ІМФ (Інститут металофізики
ім. Г. В. Курдюмова НАН України)
Надруковано в Україні.
Фотокопіювання дозволено
тільки відповідно до ліцензії
840 В. С. ВОРОБЕЦ, И. Г. КОЛБАСОВА, О. В. ЛИНЮЧЕВА
(Получено 22 ноября 2007 г.)
1. ВВЕДЕНИЕ
Оксиды металлов известны как катализаторы многих химических
процессов. Их каталитическая активность может существенно уве-
личиваться при использовании наночастиц этих материалов [1—3].
В настоящей работе исследованы электрокаталитические свойства
тонкопленочных электродов на основе наночастиц оксида цинка в
процессе электровосстановления кислорода, лежащего в основе ра-
боты электрохимического сенсора растворенного кислорода. Такие
сенсоры в настоящее время находят широкое применение для опре-
деления концентрации растворенного кислорода при управлении
биологическими процессами в ферментаторах и на заводах по очи-
стке и переработке биологических отходов, в водах тепловых стан-
ций, для контроля количества кислорода в водоемах, при определе-
нии концентрации О2 в физиологических растворах, плазме крови и
других биологически активных жидкостях.
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Пленки ZnO осаждали на титановую подложку электрохимическим
методом в потенциостатическом режиме из электролита, содержа-
щего: Zn(NO3)2⋅6H2О – 0,06 моль/л, KNO3 – 0,3 моль/л, ПАВ (на-
трий лаурил сульфат) – 0,01%, Еі = −1,0 В (отн. х.с.э.), t – 70°С, τ –
20 мин. Нами проводилось также совместное электрохимическое
осаждение пленок оксида цинка с красителем эозином Н и легирова-
ние их в процессе осаждения примесями из растворов, которые со-
держали Co2+
и Fe2+. Толщина полученных пленок составляла 0,5—
1,5 мкм. Средний размер полупроводниковых наночастиц ZnO d в
пленках находили, исходя из значения ширины запрещенной зоны
полупроводниковой пленки [1—4], определяемой из измерений спек-
тров фотоэлектрохимического тока [5]. Спектры фотоэлектрохими-
ческого тока измеряли в интервале длин волн 250—600 нм в кварце-
вой электрохимической ячейке с использованием ксеноновой лампы
высокого давления ДКСШ-500 и монохроматора МДР-2 [6].
Электрокаталитическую активность исследуемых электродов в
процессе электровосстановления кислорода изучали в потенциоди-
намическом режиме с использованием специально разработанного
электрохимического стенда на базе ПК, имеющего следующие ха-
рактеристики: измеряемые токи – 2⋅10—9—10—1
А, скорость разверт-
ки потенциала 0,01—50 мВ⋅с—1, диапазон изменения потенциала ра-
бочего электрода −4—+4 В. Электрохимические измерения проводи-
ли по трехэлектродной схеме в ячейке с разделенным катодным и
СИНТЕЗ И ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ZnO 841
анодным пространством. Как вспомогательный электрод использо-
вали платину, электродом сравнения являлся хлорсеребряный
электрод (ХСЭ). Измерения проводили в физиологическом (0,9%) и
изотоническом (7,5%) растворах NaCl.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На поляризационных кривых восстановления кислорода на элек-
тродах на основе ZnO (рис. 1, кривая 1) наблюдали одну полярогра-
фическую волну тока при потенциалах −0,45—−0,9 В (отн. ХСЭ).
При потенциалах Е < −1,1 В на пленках ZnO протекала реакция вы-
деления водорода. Нами получено, что изученные электроды обла-
дают хорошей стабильностью при многократном циклировании по-
тенциала, о чем свидетельствует постоянство их вольтамперных
характеристик уже после 3-го цикла (рис. 1, кривая 2).
Для определения среднего размера полупроводниковых наноча-
стиц ZnO d в полученных пленках исследовалась спектральная за-
висимость квантового выхода фотоэлектрохимического тока η, ко-
торая перестраивалась в координатах (ηhu)2 ∼ hu для прямых раз-
решенных переходов в ZnO (рис. 2). Из этой зависимости была оп-
ределена ширина запрещенной зоны Eg для наночастиц ZnO, а из её
значений – средний диаметр d согласно [4] (табл. 1). Из рисунка 2
(кривая 2) также следует, что в области длин волн 350—400 нм по-
является дополнительный фототок, спектр которого соответствует
поглощению света эозином Н, который встраивается в нанострук-
туру пленки. Из этих исследований получено, что средний размер
наночастиц ZnO составлял d = 4—5 нм.
Процесс электровосстановления кислорода может протекать по 2-х
и по 4-х электронному механизму, при этом чувствительность сенсора
Рис. 1.
842 В. С. ВОРОБЕЦ, И. Г. КОЛБАСОВА, О. В. ЛИНЮЧЕВА
кислорода тем выше, чем меньше суммарное количество электронов
n, участвующих в реакции. На полупроводниковых электродах вели-
чина может изменяться от n = 2 до n = 4 [6]. Наблюдаемая нами одна
полярографическая волна тока восстановления кислорода на нано-
дисперсном ZnO может соответствовать суммарному 2-х электронно-
му процессу восстановления кислорода без образования перекиси во-
дорода [7].
Важной характеристикой электродов для анализа концентрации
растворенного кислорода является потенциал восстановления кисло-
рода, либо потенциал полуволны тока восстановления Е1/2 на катод-
ной поляризационной характеристике, значение которого должно
быть минимальным для исключения протекания побочных электро-
химических реакций при измерении концентрации О2. Полученные
нами значения Е1/2 для пленок на основе наночастиц ZnO (табл. 1) на
∼ 300 мВ меньше, чем, например, для пленок на основе наночастиц
оксидов Ti и W [8], что является важной особенности пленок ZnO при
их использовании в электрохимическом сенсоре кислорода. Модифи-
цирование нанодисперсных пленок оксида цинка красителем эози-
ном Н путем совместного электрохимического осаждения повышало
электрокаталитическую активность пленок ZnO в процессе электро-
восстановления кислорода, проявляющуюся в смещении потенциала
полуволны тока восстановления Е1/2 в анодную сторону на ∼ 70 мВ
(рис. 1, кривая 2; табл. 1). При этом дополнительное легирование ZnO
Co и Fe в процессе электроосаждения пленок приводило к изменению
E1/2 в анодную область на 5—10 мВ.
Рис. 2.
ТАБЛИЦА 1. Значения Eg, d и E1/2 для пленок на основе наночастиц ZnO.
Образец Eg, эВ d, нм E1/2, В
ZnO 3,67 4 −0,39
ZnO + эозин Н 3,55 5 −0,32
СИНТЕЗ И ЭЛЕКТРОКАТАЛИТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК НА ОСНОВЕ ZnO 843
Механизм восстановления кислорода на исследуемых электродах
определяется смешанной кинетикой. Нами показано, что предель-
ный ток восстановления кислорода для полученных пленок являет-
ся предельным диффузионным током, при этом его зависимость от
концентрации растворенного кислорода в растворе NaCl была ли-
нейной. В области потенциалов до предельного тока поляризацион-
ная кривая восстановления кислорода описывалась уравнением
Тафеля, из которого найдено, что для стадии разряда количество
электронов в реакции восстановления кислорода n = 1. Установле-
но, что электрохимические свойства исследуемых полупроводни-
ковых пленок на основе нанодисперсного ZnO в реакции восстанов-
ления кислорода аналогичны металлическим электродам, у кото-
рых прикладываемый потенциал падает в ионном двойном слое.
Такое поведение этих пленок связано с тем, что восстановление ки-
слорода происходит при катодных потенциалах в области сильного
обогащения поверхности электронами, где они существенно экра-
нируют заряд в приповерхностной области полупроводника (ПОЗ).
При этом электроды на основе наночастиц ZnO имеют существен-
ные преимущества как перед металлическими (Au, Pt, Ag), так и
перед рядом поликристаллических полупроводниковых электродов
[8—10] вследствие высокой стабильности и относительно малых
значений E1/2.
Нами также было обнаружено влияние освещения на электрока-
талитические свойства исследуемых электродов (эффект памяти).
Получено, что освещение видимым светом большой мощности
(Р = 200—300 мВт/см
2) электродов на основе ZnO, модифицирован-
ного эозином Н, приводило к смещению потенциала полуволны
восстановления кислорода в анодную сторону на 50—70 мВ в тече-
ние длительного времени (около 500—600 часов), что свидетельству-
ет о повышении каталитической активности этих электродов и мо-
жет быть связано с перезаряжанием под действием света глубоких
поверхностных электронных состояний с большим временем релак-
сации захваченного заряда, вызывающих эффект памяти [11].
Кроме того, для таких электродов происходило смещение в катод-
ную сторону потенциала выделения водорода, что приводило к
расширению области потенциалов, при которых можно анализиро-
вать содержание кислорода в растворе. Так, если «электрохимиче-
ское окно» электровосстановления кислорода до освещения види-
мым светом составляло 450 мВ и потенциал полуволны E1/2 = −0,39
В, то после освещения видимым светом «электрохимическое окно»
увеличивалось до 610 мВ, а потенциал полуволны имел значение
E1/2 = −0,30 В.
Из измерений электрохимического шума нами показано, что
чувствительность изученных электродов к кислороду составляла
(2—3)⋅10−6
г/л, что сравнимо с чувствительностью Pt-электродов,
844 В. С. ВОРОБЕЦ, И. Г. КОЛБАСОВА, О. В. ЛИНЮЧЕВА
применяемых в электрохимических сенсорах кислорода, в то же
время стабильность электродов на основе наночастиц ZnO выше,
чем у Pt-электродов.
Таким образом, электроды на основе нанодисперсного ZnO отли-
чаются высокой электрокаталитической активностью и стабильно-
стью в процессе восстановления кислорода и являются перспектив-
ными для создания электрохимических сенсоров растворенного ки-
слорода.
ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. A. Hagfeld and M. Grotzel, Chem. Rev., 95, No. 1: 49 (1995).
2. M. R. Hoffmann, S. T. Martin, and W. Choi, Chem. Rev., 95, No. 1: 69 (1995).
3. Р. Ф. Хайрутдинов, Успехи химии, 67, № 2: 125 (1998).
4. E. M. Wong, P. G. Liang, B. M. Shi, G. I. Meyer, and P. S. Searson, Langmuir,
17, No. 26: 8362 (2001).
5. N. Smirnova, Yu. Gnatyuk, A. Eremenko et al., International J. Photoenergy,
1: 224 (2006).
6. V. S. Kublanovsky, G. Ya. Kolbasov, and K. I. Litovchenko, Polish J. Chem.,
270: 1453 (1996).
7. S. V. Mentus, Electrochimica Acta, 62: 27 (2004).
8. Г. Я. Колбасов, В. С. Воробец, А. М. Кордубан и др. Журн. прикл. химии, 79,
№ 4: 605 (2006).
9. M. S. P. Francisco, W. S. Cardoso, and Y. Gushikem, J. Electroanalyt. Chem.,
574: 291 (2005).
10. P. Delahay, J. Electrochem. Society, 97, No. 6: 198 (1950).
11. Г. Я. Колбасов, А. В. Городыский, Процессы фотостимулированного пере-
носа заряда в системе полупроводник—электролит (Киев: Наукова думка:
1993).
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-76177 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1816-5230 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T15:45:40Z |
| publishDate | 2008 |
| publisher | Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Воробец, В.С. Колбасова, И.Г. Линючева, О.В. 2015-02-08T17:01:45Z 2015-02-08T17:01:45Z 2008 Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO / В.С. Воробец, И.Г. Колбасова, О.В. Линючева // Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології: Зб. наук. пр. — К.: РВВ ІМФ, 2008. — Т. 6, № 3. — С. 839-844. — Бібліогр.: 11 назв. — рос. 1816-5230 PACS numbers: 81.15.Lm,81.16.Be,81.16.Hc,81.16.Pr,82.45.Jn,82.45.Yz,82.47.-a https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76177 Исследованы электрокаталитические свойства электродов на основе нанодисперсного оксида цинка, полученного электрохимическим методом, при электровосстановлении растворенного кислорода. Из фотоэлектро-химических исследований определен средний размер наночастиц ZnO в пленке d = 4—5 нм. Показано, что совместное осаждение наночастиц ZnO и эозина Н приводит к уменьшению потенциала восстановления O2. Установлено, что электроды на основе нанодисперсного ZnO имеют стабильные характеристики в процессе электровосстановления О2 в физиологическом растворе NaCl. Досліджено електрокаталітичні властивості електрод на основі нанодисперсного оксиду цинку, одержаного електрохемічною методою, при електровідновленні розчиненого кисню. Із фотоелектрохемічних досліджень визначено середній розмір наночастинок ZnO у плівці d = 4—5 нм. Показано, що сумісне осадження наночастинок ZnO та еозину Н призводить до зменшення потенціялу відновлення O2. Встановлено, що електроди на основі нанодисперсного ZnO мають стабільні характеристики у процесі електровідновлення О2 у фізіологічнім розчині NaCl. Electrocatalytic properties of electrodes based on nanodispersed zinc oxide obtained by an electrochemical method at dissolved-oxygen electroreduction are investigated. The mean size of ZnO nanoparticles in a film determined from photoelectrochemical investigations is d = 4—5 nm. As shown, the co-deposition of ZnO nanoparticles and eosin Н results in decrease of O2 reduction potential. As revealed, the electrodes based on nanodispersed ZnO have stable characteristics during О2 electroreduction in physiological NaCl solution. ru Інститут металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України Наносистеми, наноматеріали, нанотехнології Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO Synthesis and Electrocatalytic Properties of Nanodis-persed ZnO-Based Films Article published earlier |
| spellingShingle | Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO Воробец, В.С. Колбасова, И.Г. Линючева, О.В. |
| title | Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO |
| title_alt | Synthesis and Electrocatalytic Properties of Nanodis-persed ZnO-Based Films |
| title_full | Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO |
| title_fullStr | Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO |
| title_full_unstemmed | Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO |
| title_short | Синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного ZnO |
| title_sort | синтез и электрокаталитические свойства пленок на основе нанодисперсного zno |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/76177 |
| work_keys_str_mv | AT vorobecvs sinteziélektrokatalitičeskiesvoistvaplenoknaosnovenanodispersnogozno AT kolbasovaig sinteziélektrokatalitičeskiesvoistvaplenoknaosnovenanodispersnogozno AT linûčevaov sinteziélektrokatalitičeskiesvoistvaplenoknaosnovenanodispersnogozno AT vorobecvs synthesisandelectrocatalyticpropertiesofnanodispersedznobasedfilms AT kolbasovaig synthesisandelectrocatalyticpropertiesofnanodispersedznobasedfilms AT linûčevaov synthesisandelectrocatalyticpropertiesofnanodispersedznobasedfilms |