Inorganic MaterialsInorganic MaterialsНеорганические материалы0002-337X3034-5588The Russian Academy of Sciences23190210.31857/S0002337X23070163QSGZDZArticlesСтатьиUnknownChemical Processes of the Formation of Copper(I) Oxide on Copper Foil under Hydrothermal ConditionsХимические процессы формирования оксида меди(I) на медной фольге в гидротермальных условияхZimbovskiiD. S.ЗимбовскийД. С.anb@inorg.chem.msu.ruBaranovA. N.БарановА. Н.anb@inorg.chem.msu.ruMoscow Institute of Physics and Technology (National Research University)Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)Moscow State UniversityМосковский государственный университет им. М.В. Ломоносова0107202359778078725122023Copyright ©; 2023, Д.С. Зимбовский, А.Н. БарановCopyright ©; 2023, Д.С. Зимбовский, А.Н. Баранов2023Д.С. Зимбовский, А.Н. БарановД.С. Зимбовский, А.Н. Барановhttps://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/231902

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.

В работе рассмотрен процесс зарождения и роста слоя оксида меди(I) в ходе гидротермальной обработки медной фольги в щелочном растворе. На основании совокупности экспериментальных данных: результатов рентгенофазового анализа, растровой электронной микроскопии, а также расчетов свободной энергии Гиббса реакций, при использовании подхода Кабрера–Мотта был сделан вывод, что определяющими факторами в фазовом составе продукта и его морфологии оказываются концентрация гидроксид-анионов и содержание растворенного кислорода.

hydrothermal synthesiscopper(I) oxidep-type semiconductorrole of oxygenmain stages of growthгидротермальный синтезоксид меди(I)p-полупроводникроль кислородаосновные стадии ростаNavarro 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)00404-9Baran 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/molecules26237271Зимбовский 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/S0002337X20040156Bijani 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/jp208535eHalin 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/10.1155/2014/352156Deo 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.2018.11.092Jin 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/C6TA05274FPan 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/jp408056kЗимбовский 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/S0002337X18070072Zimbovskiy 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/347/1/012010Зимбовский 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/S0002337X19060174Zimbovskii 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/525/1/012018Справочник по электрохимии / Под ред. Сухотина А.М. Л.: Химия, 1981. 488 с.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/10.1063/1.555839Pabalan 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)90096-2Tromans 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/ie990577tTromans 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)00060-7Palmer 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-xPalmer 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.2017.03.012Giri 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/10.1149/2.0071605jesCabrera N., Mott N.F. Theory of the Oxidation of Metals // Reports Prog. Phys. 1949. V. 12. № 1. P. 163–184. https://doi.org/10.1088/0034-4885/12/1/308Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: Металлургия, 1976. 472 с.