Каталитические свойства и устойчивость порошковых сплавов никель–олово в процессе электрохимического выделения водорода из раствора щелочи
https://doi.org/10.29235/1561-8331-2023-59-3-183-192
Аннотация
Химически и электрохимически синтезированы порошковые сплавы Ni–Sn с содержанием никеля соответственно от 24,4 до 78,5 ат.% и от 30,6 до 55,1 ат.% для применения в качестве катализаторов электрохимического восстановления водорода в растворе щелочи. Установлено, что каталитически активная площадь поверхности химически синтезированных порошков больше в сравнении с электрохимически полученными, максимальной площадью характеризуется сплав Ni24,4Sn75,6. Выявлено, что для химически синтезированных порошков каталитические свойства, оцененные по значению потенциала, при котором достигается плотность тока 10 мА/см2, возрастают в ряду Ni24,4Sn75,6 < Ni78,5Sn21,5 < Ni; электрохимически полученные сплавы являются неэффективными катализаторами. Установлено, что сплав Ni24,4Sn75,6 характеризуется большей сохранностью каталитически активной площади поверхности в процессе эксплуатации в сравнении с никелем и сплавом Ni78,5Sn21,5.
Ключевые слова
Об авторах
О. Н. ВрублевскаяБеларусь
Врублевская Ольга Николаевна – канд. хим. наук, доцент, зам. директора
ул. Ленинградская, 14, 220006, Минск
Н. Ю. Карева
Беларусь
Карева Наталья Юрьевна – студент
ул. Ленинградская, 14, 220050, Минск
А. Д. Калесник
Беларусь
Калесник Анастасия Дмитриевна – студент
ул. Ленинградская, 14, 220050, Минск
А. А. Кудако
Беларусь
Кудако Антон Александрович – науч. сотрудник
ул. Ленинградская, 14, 220006, Минск
Б. Болормаа
Монголия
Бурэнтогтох Болормаа – науч. сотрудник
пр. Мира, 54Б, 13330, Улан-Батор
Г. Севжидсурен
Монголия
Галсан Севжидсурен – канд. физ.-мат. наук, зав. отделением материаловедения
пр. Мира, 54Б, 13330, Улан-Батор
Список литературы
1. Ďurovič M., Hnát J., Bouzek K. Electrocatalysts for the hydrogen evolution reaction in alkaline and neutral media. A comparative review. Journal of Power Sources, 2021, vol. 493, 229708. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2021.229708
2. Wang S., Lu A., Zhong C.-J. Hydrogen production from water electrolysis: role of catalysts. Nano Convergence, 2021, vol. 8, art. no. 4. https://doi.org/10.1186/s40580-021-00254-x
3. Aliyev A. Sh., Guseynova R. G., Gurbanova U. M., Babanly D. M., Fateev V. N., Pushkareva I. V., Tagiyev D. B. Electrocatalysts for water electrolysis. Chemical Problems, 2018, vol. 16, no. 3, pp. 283–306. https://doi.org/10.32737/2221-8688-2018-3-283-306
4. Zhai W., Ma Y., Chen D., Ho J. C., Dai Z., Qu Y. Recent progress on the long-term stability of hydrogen evolution reaction electrocatalysts. InfoMat, 2022, vol. 4, no. 9, art. no. e12357. https://doi.org/10.1002/inf2.1235
5. Krstajić N. V., Jović V. D., Gajić-Krstajić Lj., Jović B. M., Antozzi A. L., Martelli G. N. Electrodeposition of Ni–Mo alloy coatings and their characterization as cathodes for hydrogen evolution in sodium hydroxide solution. International Journal of Hydrogen Energy, 2008, vol. 33, no. 14, pp. 3676–3687. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2008.04.039
6. Su C., Sa Z., Liu Y., Zhao L., Wu F., Bai W. Excellent properties of Ni-15 wt.% W alloy electrodeposited from a low-temperature pyrophosphate system. Coatings, 2021, vol. 11, no. 10, art. no. 1262. https://doi.org/10.3390/coatings11101262
7. Jović B. M., Lačnjevac U. Č., Krstajić N. V., Jović V. D. Ni–Sn coatings as cathodes for hydrogen evolution in alkaline solutions. Electrochimica Acta, 2013, vol. 114, pp. 813–818. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2013.06.024
8. Ngamlerdpokin K., Tantavichet N. Electrodeposition of nickel–copper alloys to use as a cathode for hydrogen evolution in an alkaline media. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, vol. 39, no. 6, pp. 2505–2515. http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2013.12.013
9. Jović B. M., Lačnjevac U. Č., Krstajić N. V., Jović V. D. Service life test of the NiSn coatings as cathodes for hydrogen evolution in industrial chlor-alkali electrolysis. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, vol. 39, no. 17, pp. 8947–8958. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.04.015
10. Zhu Y., Zhang X., Song J., Wang W., Yue F., Ma Q. Microstructure and hydrogen evolution catalytic properties of Ni-Sn alloys prepared by electrodeposition method. Applied Catalysis A: General, 2015, vol. 500, pp. 51–57. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2015.05.005
11. Yang J., Li J., Wang Y., Dong S., Fan Y., Liu W., Kuang Y., Tan S., Xiao G., Wang B., Yu Z. Tailoring the pore structure of porous Ni-Sn alloys for boosting hydrogen evolution reaction in alkali solution. Metals, 2022, vol. 12, no. 12, art. no. 2123. https://doi.org/10.3390/met12122123
12. Cao Y.-L., Li Z.-L., Wang F., Liu J.-J., Ji J., Wang J.-J., Zhang L.-H., Qin S.-Y. Electrochemical preparation of Ni-Sn active cathode and its electrocatalytic hydrogen evolution reaction mechanisms in alkaline solution. Acta Physico-Chimica Sinica, 2013, vol. 29, no. 7, pp. 1479–1486. https://doi.org/10.3866/PKU.WHXB201305083
13. Schade C. Chemical and electrolytic methods of powder production. Samal P. K., Newkirk J. W. (eds.). ASM Handbook. Vol. 7. Powder Metallurgy. Ohio, ASM International, 2015, pp. 72–76. https://doi.org/10.31399/asm.hb.v07.a0006087
14. Vrublevskaya O. N., Shcherbakova A. B., Kudaka A. A., Galuza M. G., Sevjidsuren G., Bolormaa B. Catalytic activity of nickel–copper powder alloys in the processes of electrochemical hydrogen evolution in alkaline solution and ethanol alkaline solution. Vestsi Natsyyanal’nai akademii navuk Belarusi. Seryya khimichnyh navuk = Proceedings of the National Academy of Science of Belarus. Chemical series, 2022, vol. 58, no. 1, pp. 36–44 (in Russian). https://doi.org/10.29235/1561-8331-2022-58-1-36-44
15. Rudoi V. M., Trofimov A. A., Anan’ev M. V., Ostanin N. I., Darintseva A. B., Ostanina T. N., Nikitin V. S. Methods for calculating and experimental determining the parameters of electrochemical systems. Yekaterinburg, Ural University Publ., 2019. 128 p. (in Russian).
16. Cossar E., Houache M. S. E., Zhang Z., Baranova E. A. Comparison of electrochemical active surface areas methods for various nickel nanostructures. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2020, vol. 870, art. no. 114246. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2020.114246
17. Hansen J. N., Prats H., Toudahl K. K., Secher N. M., Chan K., Kibsgaard J., Chorkendorff I. Is there anything better than Pt for HER? ACS Energy Letters, 2021, vol. 6, no. 4, pp. 1175–1180. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.1c00246
18. Rosoiu S. P., Pantazi A. G., Petica A., Cojocaru A., Costovici S., Zanella C., Visan T., Anicai L., Enachescu M. Electrodeposition of NiSn-rGO composite coatings from deep eutectic solvents and their physicochemical characterization. Metals, 2020, vol. 10, no. 11, art. no. 1455. https://doi.org/10.3390/met10111455
19. Jović V. D., Jović B. M., Lačnjevac U. Č., Krstajić N. V., Zabinski P., Elezović N. R. Accelerated service life test of electrodeposited NiSn alloys as bifunctional catalysts for alkaline water electrolysis under industrial operating conditions. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2018, vol. 819, pp. 16–25. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2017.06.011
20. Jović V. D., Lačnjevac U., Jović B. M., Karanović Lj., Krstajić N. V. Ni–Sn coatings as cathodes for hydrogen evolution in alkaline solution. Chemical composition, phase composition and morphology effects. International Journal of Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, no. 23, pp. 17882–17891. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.09.110
21. Jović B. M., Lačnjevac U. Č., Jović V. D., Krstajić N. V. Kinetics of the oxygen evolution reaction on NiSn electrodes in alkaline solutions. Journal of Electroanalytical Chemistry, 2015, vol. 754, pp. 100–108. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2015.07.013
22. Kellenberger A., Vaszilcsin N., Brandl W., Duteanu N. Kinetics of hydrogen evolution reaction on skeleton nickel and nickel–titanium electrodes obtained by thermal arc spraying technique. International Journal of Hydrogen Energy, 2007, vol. 32, no. 15, pp. 3258–3265. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.02.028