Size and Content Effects of Copper Nanoparticles in the Ion-Exchange Matrix for Intense Steady-State Electroreduction of Oxygen Dissolved in Water

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

The behavior of copper ion-exchange composites with metal particles of various sizes and contents in the electroreduction of oxygen dissolved in water have been studied. The primary size effect is significant for samples with low metal capacity: the smaller the metal particle size, the higher the process rate. At the same time, for samples with high metal capacity, the process occurs at approximately the same rate on copper particles obtained using different reducing agents due to the comparable size. A secondary size effect is observed due to the collective interaction of metal particles. The size effect was taken into account along with the effect of the content of metal particles using the proposed nanosized complex, which represents the ratio of capacity and size. At the level of electronic conductivity percolation, the nanosized complex reaches the limiting value corresponding to the highest degree of development of the reaction surface, which makes it possible to increase the current to the maximum current capacity. The reduction of oxygen occurs along several routes: electroreduction on copper particles, mainly on the surface of nanocomposite grains; and autocatalytic chemical reaction with electroregenerated metal nanoparticles in the nanocomposite grains. The electroreduction of oxygen generally reaches an intense steady-state mode.

About the authors

T. A. Kravchenko

Voronezh State Medical University

Email: krav280937@yandex.ru
394036, Voronezh, Russia

T. E. Fertikova

Voronezh State Medical University

Email: krav280937@yandex.ru
394036, Voronezh, Russia

I. A. Golovin

Voronezh State Medical University

Email: krav280937@yandex.ru
394036, Voronezh, Russia

A. E. Martynov

Voronezh State Medical University

Author for correspondence.
Email: krav280937@yandex.ru
394036, Voronezh, Russia

References

  1. Сергеев Г.В. Нанохимия: учебное пособие М.: КДУ, 2007. 333 с.
  2. Крылов О.В. Гетерогенный катализ: учебное пособие для вузов М.: ИКЦ “Академкнига”, 2004. 679 с.
  3. Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности М.: Интеллект, 2008. 568 с.
  4. Суздалев И.П. Нанотехнология: физико-химия нанокластеров, наноструктур, наноматериалов М.: КомКнига, 2006. 532 с.
  5. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии М.: Техносфера, 2006. 336 с.
  6. Мелихов И.В. Физико-химическая эволюция твердого тела М.: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2009. 309 с.
  7. Помогайло А.Д., Розенберг А.С., Уфлянд И.Е. Наночастицы металлов в полимерах М.: Химия, 2000. 672 с.
  8. Сергеева О.В., Рахманов С.К. Введение в нанохимию: пособие для студ. хим. фак. Минск: БГУ, 2009. 175 с.
  9. Чоркендорф И., Наймантсведрайт Х. Современный катализ и химическая кинетика: научное издание. Долгопрудный: Издательский Дом “Интеллект”, 2010. 504 с.
  10. Трипачев О.В., Тарасевич М.Р. // Журн. физ. химии. 2013. Т. 87. С. 835 [Tripachev O.V. and Tarasevich M.R. // Russ. J. Phys. Chem. A, 2013. V. 87. P. 820].
  11. Lu Y. and Chen W. // J. Power Sources, 107 (2012). P. 107.
  12. Cuenya B.R., Behafarid F. // Surface Science Reports, 70 (2015). P. 135.
  13. Sarkar S., Guibal E., Quignard F. et al. // J. Nanopart Res (2012) 14: P. 715.
  14. Erikson H., Lusi M., Sarapuu A. et al. // Electrochimica Acta. V. 188 (2016). P. 301.
  15. Selvaraju T., Ramaraj R. // PRAMANA – Indian Academy of Sciences V. 65. № 4. J. of October 2005 Physics. P. 713.
  16. Ting Ch.-Ch., Liu Ch.-Hs., Tai Ch.-Y. et al. // J. of Power Sources. 2015. № 280. P. 166.
  17. Reske R., Mistry H., Behafarid F. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2014. № 136. P. 6978.
  18. Nesselberger M., Roefzaad M., Hamou R F. et al. // Nature Materials. 2013. № 12. P. 919.
  19. Proch S., Wirth M., White H.S. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2013. № 135. P. 3073.
  20. Чернавский П.А., Панкина Г.В., Иванцов М.И. и др. // Журн. физич. химии. 2013. Т. 87. № 8. С. 1356–1360 [Chernavsky P.A., Pankina G.V., Ivantsov M.I. et al. // Russ. J. Phys. Chem. A, 2013. V. 87. № 8. P. 1356–1360].
  21. Leontyev I.N., Belenov S.V., Guterman V.E. et al. // J. Phys. Chem. C. 2011. № 115. P. 5429–5434.
  22. Ярославцев А.Б. // Российские нанотехнологии. 2012. Т. 7. № 9–10. С. 8–18 [Yaroslavtsev A.B. // Nanotechnologies in Russia, 2012. V. 7. Nos. 9–10. P. 437.]
  23. Кравченко Т.А., Полянский Л.Н., Калиничев А.И., Конев Д.В. Нанокомпозиты металл-ионообменник. М.: Наука, 2009. 391 с.
  24. Кравченко Т.А., Золотухина Е.В., Чайка М.Ю., Ярославцев А.Б. Электрохимия металл-ионообменных нанокомпозитов. М.: Наука; 2013. 365 с.
  25. КравченкоТ.А., Вахнин Д.Д., Придорогина В.Е. и др. // Электрохимия. 2019. Т. 55. № 12. С. 1524. [Kravchenko T.A., Vakhnin D.D., Pridorogina V.E. et al. // Russ. J. of Electrochemistry, 2019. V. 55. № 12. P. 1251].
  26. Вахнин Д.Д., Полянский Л.Н., Кравченко Т.А. и др. // Журн. физ. химии. 2019. Т. 93. № 5. С. 749 [Vakhnin D.D., Polyanskii L.N., Kravchenko T.A. et al. // Russ. J. Phys. Chem. A, 2019. V. 93. № 5. P. 793].
  27. Фертикова Т.Е., Фертиков С.В., Исаева Е.М. и др. // Конденсированные среды и межфазные границы. 2021. Т. 23. № 43. С. 614 [Fertikova T.E., Fertikov S.V., Isaeva E.M., et al. // Condensed Matter and Interphases (in Russian), 2021. V. 23. № 4. P. 614].
  28. Вахнин Д.Д. Полянский Л.Н., Козадеров О.А. и др. // Российские нанотехнологии, 2022. Т. 17. № 6. С. 799 [Vakhnin D.D., Fertikova T.E., Polyanskii L.N. et al. // Nanobiotechnology Reports, 2022. V. 17. № 6. Р. 811].
  29. . СанПиН 2.1.3684-21 “Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению, атмосферному воздуху, почвам, жилым помещениям, эксплуатации производственных, общественных помещений, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий”. 66 с.
  30. СанПиН 1.2.3685-21 “Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания”. 1143 с.
  31. Кравченко Т.А., Шевцова Е.А., Крысанов В.А. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 5. С. 630 [Kravchenko T.A., Shevtsova E.A., Krysanov V.A. // Sorption and Сhromatographic Рrocesses, 2021. V. 21. № 5. P. 630].
  32. Кравченко Т.А., Полянский Л.Н., Крысанов В.А. и др. // 16-е Совещание с международным участием “Фундаментальные проблемы ионики твердого тела”. Московская обл., г. Черноголовка, 27 июня–03 июля 2022 г. С. 171–173. web-site: http://fpssi16.altes.su/
  33. Миркин Л.И. Рентгеноструктурный анализ. Справочное руководство: Получение и измерение рентгенограмм. М.: Наука, 1976. 326 с.
  34. Muraviev D.N., Domenech B., Bastos-Arrieta J. et al. // Ion Exchange Technologies. 2012. P. 35–72.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2.

Download (143KB)
Indexing metadata
3.

Download (104KB)
Indexing metadata
4.

Download (117KB)
Indexing metadata
5.

Download (158KB)
Indexing metadata
6.

Download (105KB)
Indexing metadata
7.

Download (113KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2023 Т.А. Кравченко, Т.Е. Фертикова, И.А. Головин, А.Э. Мартынов

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».