Chemical Processes of the Formation of Copper(I) Oxide on Copper Foil under Hydrothermal Conditions

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In this paper, we study the nucleation and growth of a copper(I) oxide layer during hydrothermal treatment of copper foil in an alkaline solution. Experimental (X-ray diffraction and scanning electron microscopy) data, Gibbs free energy calculations, and analysis of the growth process in terms of the Cabrera–Mott approach lead us to conclude that the hydroxide anion and dissolved oxygen concentrations play a key role in determining the phase composition and morphology of the hydrothermal treatment product.

About the authors

D. S. Zimbovskii

Moscow Institute of Physics and Technology (National Research University); Moscow State University

Email: anb@inorg.chem.msu.ru
141701, Dolgoprudnyi, Moscow region, Russia; 119991, Moscow, Russia

A. N. Baranov

Moscow State University

Author for correspondence.
Email: anb@inorg.chem.msu.ru
119991, Moscow, Russia

References

  1. Navarro R.M., del Valle F., Villoria de la Mano J.A., Álvarez-Galván M.C., Fierro J.L.G. Photocatalytic Water Splitting under Visible Light. Concept and Catalysts Development // Adv. Chem. Eng. 2009. V. 36. № 9. P. 111–143. https://doi.org/10.1016/S0065-2377(09)00404-9
  2. Baran T., Visibile A., Busch M., He X., Wojtyla S., Rondinini S., Minguzzi A., Vertova A. Copper Oxide-Based Photocatalysts and Photocathodes: Fundamentals and Recent Advances // Molecules. 2021. V. 26. № 23. P. 7271. https://doi.org/10.3390/molecules26237271
  3. Зимбовский Д.С., Баранов А.Н. Синтез гетероструктур на основе Cu2O и их фотокаталитические свойства в реакции разложения воды // Неорган. материалы. 2020. Т. 56. № 4. С. 385–392. https://doi.org/10.31857/S0002337X20040156
  4. Bijani S., Schrebler R., Dalchiele E.A., Gabás M., Martínez L., Ramos-Barrado J.R. Study of the Nucleation and Growth Mechanisms in the Electrodeposition of Micro- and Nanostructured Cu2O Thin Films // J. Phys. Chem. C. 2011. V. 115. № 43. P. 21373–21382. https://doi.org/10.1021/jp208535e
  5. Halin D.S.C., Talib I.A., Daud A.R., Hamid M.A.A. Characterizations of Cuprous Oxide Thin Films Prepared by Sol-Gel Spin Coating Technique with Different Additives for the Photoelectrochemical Solar Cell // Int. J. Photoenergy. 2014. V. 2014. P. 352156. https://doi.org/10.1155/2014/352156
  6. Deo M., Ogale S. Crystal Facet Control for the Stability of p-Cu2O Nanoneedles as Photocathode for Photoelectrochemical Activity // Mater. Today Proc. 2018. V. 5. № 11. P. 23482–23489. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2018.11.092
  7. Jin Z., Hu Z., Yu J.C., Wang J. Room Temperature Synthesis of a Highly Active Cu/Cu2O Photocathode for Photoelectrochemical Water Splitting // J. Mater. Chem. A. 2016. V. 4. № 36. P. 13736–13741. https://doi.org/10.1039/C6TA05274F
  8. Pan L., Zou J.-J., Zhang T., Wang S., Li Z., Wang L., Zhang X. Cu2O Film via Hydrothermal Redox Approach: Morphology and Photocatalytic Performance // J. Phys. Chem. C. 2014. V. 118. № 30. P. 16335–16343. https://doi.org/10.1021/jp408056k
  9. Зимбовский Д.С., Чурагулов Б.Р. Пленки Cu2O и CuO, полученные химическим и анодным окислением на поверхности медной фольги // Неорган. материалы. 2018. Т. 54. № 7. С. 694–702. https://doi.org/10.7868/S0002337X18070072
  10. Zimbovskiy D.S., Gavrilov A.I., Churagulov B.R. Synthesis of Copper Oxides Films via Anodic Oxidation of Copper Foil Followed by Thermal Reduction // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2018. V. 347. P. 012010. https://doi.org/10.1088/1757-899X/347/1/012010
  11. Зимбовский Д.С., Чурагулов Б.Р., Баранов А.Н. Гидротермальный синтез пленок Cu2O на поверхности металлической меди в растворе NaOH // Неорган. материалы. 2019. Т. 55. № 6. С. 623–627. https://doi.org/10.1134/S0002337X19060174
  12. Zimbovskii D.S., Baranov A.N. One-Step Hydrothermal Surface Oxidation of Copper Foil for Photocatalytic Water Splitting // IOP Conf. Ser. Mater. Sci. Eng. 2019. V. 525. P. 012018. https://doi.org/10.1088/1757-899X/525/1/012018
  13. Справочник по электрохимии / Под ред. Сухотина А.М. Л.: Химия, 1981. 488 с.
  14. Bratsch S.G. Standard Electrode Potentials and Temperature Coefficients in Water at 298.15 K // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1989. V. 18. № 1. P. 1–21. https://doi.org/10.1063/1.555839
  15. Pabalan R.T., Pitzer K.S. Thermodynamics of NaOH(aq) in Hydrothermal Solutions // Geochim. Cosmochim. Acta. 1987. V. 51. № 4. P. 829–837. https://doi.org/10.1016/0016-7037(87)90096-2
  16. Tromans D. Modeling Oxygen Solubility in Water and Electrolyte Solutions // Ind. Eng. Chem. Res. 2000. V. 39. № 3. P. 805–812. https://doi.org/10.1021/ie990577t
  17. Tromans D. Oxygen Solubility Modeling in Inorganic Solutions: Concentration, Temperature and Pressure Effects // Hydrometallurgy. 1998. V. 50. № 3. P. 279–296. https://doi.org/10.1016/S0304-386X(98)00060-7
  18. Palmer D.A. Solubility Measurements of Crystalline Cu2O in Aqueous Solution as a Function of Temperature and pH // J. Solution Chem. 2011. V. 40. № 6. P. 1067–1093. https://doi.org/10.1007/s10953-011-9699-x
  19. Palmer D.A. The Solubility of Crystalline Cupric Oxide in Aqueous Solution from 25 to 400°C // J. Chem. Thermodyn. 2017. V. 114. P. 122–134. https://doi.org/10.1016/j.jct.2017.03.012
  20. Giri S.D., Sarkar A. Electrochemical Study of Bulk and Monolayer Copper in Alkaline Solution // J. Electrochem. Soc. 2016. V. 163. № 3. P. I1252–I1259. https://doi.org/10.1149/2.0071605jes
  21. Cabrera N., Mott N.F. Theory of the Oxidation of Metals // Reports Prog. Phys. 1949. V. 12. № 1. P. 163–184. https://doi.org/10.1088/0034-4885/12/1/308
  22. Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. 472 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (3MB)
Indexing metadata
3.

Download (3MB)
Indexing metadata
4.

Download (1MB)
Indexing metadata
5.

Download (497KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Д.С. Зимбовский, А.Н. Баранов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».