Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen
The electrocatalytic properties of electrodes based on the nanosized nonstoichiometric cobalt oxides and titanium oxide, modified by platinum at electrodeposition of oxygen, dissolved in blood plasma have been investigated. The correlation between electrocatalytic and catalytic activity of cobalt ox...
Збережено в:
| Дата: | 2007 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine
2007
|
| Онлайн доступ: | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/223 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Surface |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Surface| _version_ | 1869291329015513088 |
|---|---|
| author | Standik, O. A. Vorobets, V. S. Kolbasov, G. Ya. |
| author_facet | Standik, O. A. Vorobets, V. S. Kolbasov, G. Ya. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "O. A. Standik",
"institution": "Институт общей и неорганической химии им. В.И.Вернадского Национальной академии наук Украины"
},
{
"author": "V. S. Vorobets",
"institution": "Институт общей и неорганической химии им. В.И.Вернадского Национальной академии наук Украины"
},
{
"author": "G. Ya. Kolbasov",
"institution": "Институт общей и неорганической химии им. В.И.Вернадского Национальной академии наук Украины"
}
] |
| author_sort | Standik, O. A. |
| baseUrl_str | |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2018-11-27T09:40:57Z |
| description | The electrocatalytic properties of electrodes based on the nanosized nonstoichiometric cobalt oxides and titanium oxide, modified by platinum at electrodeposition of oxygen, dissolved in blood plasma have been investigated. The correlation between electrocatalytic and catalytic activity of cobalt oxide compounds has been found. It is shown, that titanium and cobalt oxides compounds can be used as electrode materials in oxygen sensors. |
| first_indexed | 2025-07-22T19:31:13Z |
| format | Article |
| fulltext |
Химия, физика и технология поверхности. 2007. Вып 13. С.173-177
173
УДК 541.135.138.3+546.733
НАНОРАЗМЕРНЫЕ ОКСИДЫ ТИТАНА И КОБАЛЬТА ДЛЯ
ЭЛЕКТРОДОВ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ
КИСЛОРОДА
О.А. Стадник, В.С.Воробец, Г.Я. Колбасов
Институт общей и неорганической химии им. В.И.Вернадского
Национальной академии наук Украины,
пр. Палладина 32/34, 03680, Київ-142, kolbasov@ionc.kiev.ua
Исследованы электрокаталитические свойства электродов на основе нанораз-
мерных нестехиометрических оксидов кобальта и диоксида титана, модифицирован-
ного платиной, при электровосстановлении кислорода, растворенного в плазме крови.
Найдена корреляция между электрокаталитической и каталитической активностью
оксидных соединений кобальта. Показано, что оксидные соединения титана и кобаль-
та могут быть использованы в качестве электродных материалов в сенсорах на
кислород.
The electrocatalytic properties of electrodes based on the nanosized nonstoichiometric
cobalt oxides and titanium oxide, modified by platinum at electrodeposition of oxygen,
dissolved in blood plasma have been investigated. The correlation between electrocatalytic and
catalytic activity of cobalt oxide compounds has been found. It is shown, that titanium and
cobalt oxides compounds can be used as electrode materials in oxygen sensors.
Введение
Оксиды кобальта и титана – перспективные материалы для использования их в
качестве катализаторов восстановления кислорода и сенсоров кислорода. Оксидные
соединения переходных металлов, в том числе и оксидные соединения кобальта также
широко применяются в качестве электрохимически активных материалов в газовых и
жидких средах (в сенсорах, химических источниках тока, топливных элементах и т.п.)
[1]. При этом каталитическая активность оксидов может существенно возрастать при
использовании наночастиц этих материалов. В работе приведены результаты изучения
характеристик электродов на основе нанодисперсных оксидов кобальта и титана в
процессах электровосстановления кислорода и разложения пероксида водорода.
Электровосстановление кислорода лежит в основе работы электрохимических сенсоров
кислорода, разработка которых актуальна в связи с необходимостью определения
концентрации кислорода, как в технологических процессах, так и в медицинской
практике. В существующих сенсорах растворенного кислорода с использованием
платинового катода кислород из анализируемого раствора поступает в электрохимичес-
кую ячейку сквозь тефлоновую мембрану для исключения влияния других компонентов
на показания сенсора. Использование таких сенсоров в медицине для измерения уровня
кислорода в малом объеме, например в кровеносном русле, невозможно вследствие
громоздкости их конструкции. Для этого необходимы более стабильные микроэлектро-
ды, которые можно вводить непосредственно в анализируемую жидкость.
Исследованы электрокаталитические свойства электродов на основе нанораз-
мерных оксидов кобальта и диоксида титана, модифицированного платиной, при
mailto:kolbasov@ionc.kiev.ua
174
электровосстановлении кислорода, а также каталитическая активность оксидных
соединений кобальта в модельной реакции разложения пероксида водорода.
Экспериментальная часть
Частицы TiО2 наносили на титановую подложку золь-гель методом из раствора
тетрахлорида титана с дальнейшим отжигом на воздухе при 673 К [2]. Модифициро-
вание пленок наночастицами платины проводили электрохимическим методом из раст-
вора платинохлористоводородной кислоты при освещении полупроводника в области
фундаментального поглощения света [2]. Соединения нестехиометрического оксида
кобальта получали анодным окислением ионов Со2+ из электролита, содержащего CoSO4
и NH4F. Подложкой служила никелевая пластина. Соединения оксидов кобальта имели
состав СохОу(ОН)z, где х = 0,65…0,71, у = 1,34…1,79, z = 1,3…1,52. Средний размер
частиц TiО2 и платины, определенный из измерений спектров фототоков и квантово-
механических расчетов [2], составлял 3 – 7 нм, суммарная толщина нанесенных слоев
300 – 500 нм, размер частиц СохОу(ОН)z, определенный по данным электронной микро-
скопии, составлял 80 – 120 нм, толщина покрытия 2 – 30 мкм.
Каталитическую активность оксидных соединений кобальта оценивали по
реакции разложения пероксида водорода газометрическим методом [3] с использова-
нием термостатируемой ячейки. Объем выделившегося кислорода определяли по коли-
честву вытесненной им жидкости (объем газа приводился к нормальным условиям).
Количество исследуемого осадка составляло 10 мг, концентрацию пероксида водорода
определяли титрованием 0,1 н раствором марганцевокислого калия.
Каталитическую активность образца определяли при температурах 298, 303, 308 и
313 К и оценивали по величине константы скорости реакции, определяемой графически
по уравнению [4]:
nkcW = ,
где W – скорость реакции, k – ее константа, n – порядок реакции.
Константу скорости реакции определяли по тангенсу угла наклона в координатах
lgC
22 OH – τ. Убыль концентрации пероксида водорода вследствие ее разложения
вычисляли по уравнению:
SV
PVCC 0
0=D ,
где С0 – начальная концентрация пероксида водорода, Р – нормальное давление, V0 –
объем газа (кислорода), приведенный к нормальным условиям в данный момент
времени, Vs – общий объем газа, выделившегося за время эксперимента.
Кинетику восстановления кислорода на исследуемых электродах изучали с по-
мощью вольтамперных зависимостей, которые измеряли в потенциодинамическом
режиме с использованием специально разработанного электрохимического стенда на
базе ПК, имеющего следующие характеристики: измеряемые токи 2·10–9 – 10–1 А, ско-
рость развертки потенциала 0,01 – 50 мВ·с–1, диапазон изменения потенциала рабочего
электрода -4 – 4 В. Электрохимические измерения проводили в ячейке с разделенным
катодным и анодным пространством в растворах сорбилакта и плазме крови. В качестве
электрода сравнения использовали хлорсеребряный электрод (ХСЭ).
175
Обсуждение результатов
На поляризационных кривых восстановления кислорода в плазме крови на
электродах на основе TiO2, и TiO2, модифицированного платиной (рис. 1) наблюдали
одну волну тока при потенциалах -0,5…-1,1 В (относительно ХСЭ). При потенциалах,
меньше величины -1,3 В проявлялась реакция выделения водорода.
Для уменьшения потенциала восстановления кислорода пленки TiO2 модифици-
ровали наночастицами платины. Для электродов из диоксида титана высокая воспроиз-
водимость характеристик наблюдалась уже после третьего цикла (рис. 1, кривые 1 – 4).
Потенциал восстановления кислорода на модифицированных платиной микроэлектродах
был более положительным на 0,15 В, чем на немодифицированных, что является важ-
ным фактором при анализе концентрации кислорода в плазме крови и кровеносном
русле. Однако при значительном покрытии поверхности диоксида титана частицами
платины воспроизводимость их вольтамперных характеристик в процессе циклирования
была немного ниже.
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0
0,1
0,2
0,3
0,4
5
3,4
2
1
I,
мА
·с
м-2
-Е, В
Рис. 1. Вольтамперные кри-
вые восстановления
кислорода в зависи-
мости от номера цик-
ла в плазме крови:
1 – 4 – на электродах
ТіО2/Ті; 5 – на элект-
родах ТіО2/Ті, моди-
фицированных нано-
частицами платины.
Скорость развертки
потенциала
v = 10 мВ·с–1.
На поляризационных кривых восстановления кислорода на электродах на основе
нестехиометрического оксида кобальта на никелевой подложке (рис. 2) наблюдалась
одна волна тока, как и в случае диоксида титана.
0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8 4123
І,
мА
·с
м-2
-Е, В
Рис. 2. Вольтамперные кривые
восстановления кислоро-
да в растворе сорбилак-
та: 1 – 3 – на электродах
СоxОy(OH)z/Ni в зави-
симости от концент-
рации NH4F (1 – 20 г×л-1,
2 – 30 г×л-1, 3 – 40 г×л-1);
4 – на Ni- подложке.
176
При этом увеличение содержания NH4F в исходном растворе для получения
оксидных соединений кобальта от 20 до 40 г·л–1 усиливает электрокаталитические
свойства СохОу(ОН)z-электродов, что приводит к уменьшению приблизительно на
200 мВ перенапряжения восстановления кислорода. Область потенциалов, при которых
возможно определение кислорода на этих электродах в биологически активных жид-
костях, определена как -0,6…-0,8 В (относительно ХСЭ).
Температурные зависимости констант скорости разложения пероксида водорода
на электродах на основе оксидов кобальта, полученных из электролитов разного состава,
а также их энергии активации приведены в таблице. Увеличение содержания NH4F в
исходном растворе от 20 до 40 г·л–1 повышает каталитическую активность СохОу(ОН)z-
электродов в реакции разложения пероксида водорода. При этом энергия активации про-
цесса разложения пероксида водорода, как и потенциал полуволны электровосстановле-
ния кислорода, уменьшается с увеличением содержания NH4F в исходном растворе, то
есть существует корреляция между каталитической и электрокаталитической актив-
ностью нестехиометрических оксидных соединений кобальта.
Таблица. Значения констант скорости для процесса разложения пероксида водорода в
присутствии оксидного соединения кобальта при различных температурах и
их энергии активации.
О
бр
аз
ец
Состав электролита,
г·л–1
Константа скорости разложения пероксида
водорода при различных температурах,
моль·с–1·104 Е а
,
кД
ж
·м
ол
ь–1
CoSO4·7H2O NH4F 293 К 303 К 308 К 313 К
1 10 20 1,02 1,09 1,65 2,10 51,7
2 10 25 1,27 1,53 2,01 3,65 29,6
3 10 30 2,19 2,70 2,88 5,10 21,3
4 10 40 3,30 5,10 5,40 5,80 11,7
Как видно из рис. 3. существует линейная зависимость энергии активации
процесса разложения пероксида водорода в присутствии оксидных соединений кобальта
от потенциала полуволны при восстановлении кислорода.
0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90
10
20
30
40
50
E a, к
Д
ж
·м
ол
ь-1
-E
1/2
, B
Рис. 3. Зависимость энергии ак-
тивации процесса разло-
жения пероксида водоро-
да на оксидных соедине-
ниях кобальта от потен-
циала полуволны при
восстановлении кисло-
рода.
177
Выводы
Показано, что электроды на основе наночастиц диоксида титана, модифицирован-
ного платиной, и нестехиометрических оксидных соединений кобальта проявляют высо-
кую электрокаталитическую активность при восстановлении кислорода, растворенного в
биологически активных жидкостях.
Найдена корреляция между электрокаталитической и каталитической актив-
ностью наноразмерных нестехиометрических оксидных соединений кобальта.
Установлено, что изученные электроды перспективны для использования в элект-
рохимических сенсорах кислорода.
Литература
1. Квасников Л.А., Тазетдинов Р.Г. Регенеративные топливные элементы / М.:
Атомиздат. 1978. – 168 с. – Библиогр.: с. 160 – 166.
2. Электроды на основе нанодисперсионнывх оксидов титана и вольфрама для сенсора
растворенного кислорода / Г.Я. Колбасов, В.С. Воробец, А.М. Кордубан, А.П. Шпак
// Журн. прикл. химии. – 2006. – Т. 79, № 4. – С. 605 – 610.
3. Studies on MnO2—III. The kinetics and the mechanism for the catalytic decomposition of
H2O2 over different crystalline modifications of MnO2 / S.V. Kanungo, K.M. Parida,
B.R. Sant // Electrochim. Acta. – 1981. – V. 26, № 8. – P. 1157 – 1167.
4. Rongzhong J., Shaojun D. Measurement of catalytic actyvity variation for H2O2 oxidation
at a cobalt porphyrin coated electrode // J. Electrochem. Soc. – 1992. – V. 139, № 10. –
P. 2751 – 2755.
|
| id | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-223 |
| institution | Surface |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Russian |
| last_indexed | 2026-03-12T17:06:24Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | surfacezbircomua/bc/be39428e9bc7fdebd2326ddd753142bc.pdf |
| spelling | oai:ojs.pkp.sfu.ca:article-2232018-11-27T09:40:57Z Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen Наноразмерные оксиды титана и кобальта для электродов электрохимических сенсоров кислорода Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen Standik, O. A. Vorobets, V. S. Kolbasov, G. Ya. The electrocatalytic properties of electrodes based on the nanosized nonstoichiometric cobalt oxides and titanium oxide, modified by platinum at electrodeposition of oxygen, dissolved in blood plasma have been investigated. The correlation between electrocatalytic and catalytic activity of cobalt oxide compounds has been found. It is shown, that titanium and cobalt oxides compounds can be used as electrode materials in oxygen sensors. Исследованы электрокаталитические свойства электродов на основе наноразмерных нестехиометрических оксидов кобальта и диоксида титана, модифицированного платиной, при электровосстановлении кислорода, растворенного в плазме крови. Найдена корреляция между электрокаталитической и каталитической активностью оксидных соединений кобальта. Показано, что оксидные соединения титана и кобальта могут быть использованы в качестве электродных материалов в сенсорах на кислород. The electrocatalytic properties of electrodes based on the nanosized nonstoichiometric cobalt oxides and titanium oxide, modified by platinum at electrodeposition of oxygen, dissolved in blood plasma have been investigated. The correlation between electrocatalytic and catalytic activity of cobalt oxide compounds has been found. It is shown, that titanium and cobalt oxides compounds can be used as electrode materials in oxygen sensors. Chuiko Institute of Surface Chemistry National Academy of Sciences of Ukraine 2007-06-21 Article Article application/pdf https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/223 Surface; No. 13 (2007): Chemistry, Physics and Technology of Surface; 173-177 Поверхность; № 13 (2007): Химия, физика и технология поверхности; 173-177 Поверхня; № 13 (2007): Хімія, фізика та технологія поверхні; 173-177 3154-8091 3154-8083 ru https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/223/222 Авторське право (c) 2007 О.А. Standik, V.S. Vorobets, G.Ya. Kolbasov |
| spellingShingle | Standik, O. A. Vorobets, V. S. Kolbasov, G. Ya. Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen |
| title | Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen |
| title_alt | Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen Наноразмерные оксиды титана и кобальта для электродов электрохимических сенсоров кислорода |
| title_full | Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen |
| title_fullStr | Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen |
| title_full_unstemmed | Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen |
| title_short | Nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen |
| title_sort | nanoscaled titanium oxide and cobalt oxide for electrodes of electrochemical sensors for oxygen |
| url | https://surfacezbir.com.ua/index.php/surface/article/view/223 |
| work_keys_str_mv | AT standikoa nanoscaledtitaniumoxideandcobaltoxideforelectrodesofelectrochemicalsensorsforoxygen AT vorobetsvs nanoscaledtitaniumoxideandcobaltoxideforelectrodesofelectrochemicalsensorsforoxygen AT kolbasovgya nanoscaledtitaniumoxideandcobaltoxideforelectrodesofelectrochemicalsensorsforoxygen AT standikoa nanorazmernyeoksidytitanaikobalʹtadlâélektrodovélektrohimičeskihsensorovkisloroda AT vorobetsvs nanorazmernyeoksidytitanaikobalʹtadlâélektrodovélektrohimičeskihsensorovkisloroda AT kolbasovgya nanorazmernyeoksidytitanaikobalʹtadlâélektrodovélektrohimičeskihsensorovkisloroda |