Стационарная редокс-сорбция растворенного в воде кислорода на зернистых слоях медь-ионообменных нанокомпозитов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследован процесс редокс-сорбции кислорода, растворенного в воде, на катодно поляризованных зернистых слоях медь-ионообменных нанокомпозитов в зависимости от скорости потока воды и значения поляризующего тока. Отмечено, что первоначально количество поглощенного кислорода превышает количество протекшего электричества. Со временем химическая активность нанокомпозита уменьшается, и кислород продолжает сорбироваться и далее восстанавливаться главным образом за счет токовой составляющей процесса. Сделан вывод, что одновременное повышение скорости потока воды и силы предельно допустимого тока оказывает благоприятное воздействие на скорость поглощения кислорода. Поддержание постоянства режима подачи воды и соответствующей силы тока обеспечивает стационарное течение диффузионных, химических и электрохимических стадий. Установлено, что последовательные стадии внешнедиффузионного переноса кислорода к поверхности зерен нанокомпозита, внутридиффузионного переноса кислорода по порам зерен и химического окисления наночастиц меди до оксидов, характерные для конечных источников, компенсированы стадиями электровосстановления кислорода из поверхностных адсорбированных комплексов и регенерации продуктов окисления в наночастицы металлической меди. Нанокомпозит является непрерывным источником свежевосстановленных частиц металла и способствует выходу процесса редокс-сорбции кислорода в стационарный режим. В отличие от неполяризуемого зернистого слоя концентрация кислорода остается на низком постоянном уровне в условиях предельно допустимого наложенного электрического тока.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Т. А. Кравченко

ФГБОУ ВО “Воронежский государственный университет”

Автор, ответственный за переписку.
Email: krav280937@yandex.ru
Россия, Воронеж

О. А. Козадеров

ФГБОУ ВО “Воронежский государственный университет”

Email: krav280937@yandex.ru
Россия, Воронеж

Д. Д. Вахнин

ФГБОУ ВО “Воронежский государственный университет”

Email: krav280937@yandex.ru
Россия, Воронеж

И. А. Головин

ФГБОУ ВО “Воронежский государственный университет”

Email: krav280937@yandex.ru
Россия, Воронеж

А. Э. Мартынов

ФГБОУ ВО “Воронежский государственный университет”

Email: krav280937@yandex.ru
Россия, Воронеж

Список литературы

  1. Багоцкий В.С. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988. 400 с. [Bagotsky V.S. Fundamentals of Electrochemistry M.: Chemistry, 1988. 400 р.]
  2. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия, Колос, 2006. 672 с. [Damaskin B.B., Petri O.A., Cirlina G.A. Electrochemistry M.: Chemistry, Kolos, 2006. 672 р.]
  3. Vukmirovic M.B., Vasiljevic N., Dimitrov N. et al. // J. Electrochemical Society. 2003. Vol. 150. Р. 10.
  4. Lu Y., Xu H., Wang J. et al. // J. Electrochimica Acta. 2009. V. 54. Р. 3972.
  5. Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Кузнецова Л.Н. и др. // Электрохимия. 2010. Т. 46. № 8. С. 985. [Bogdanovskaya V.A., Tarasevich M.R., Kuznetsova L.N. et al. // Electrochemistry. 2010. Vol. 46. № 8. P. 985.]
  6. Yang Y., Zhou Y. // J. Electroanalytical Chemistry. 1995. V. 397. P. 271.
  7. Яштулов Н.А., Ревина А.А. // Кинетика и катализ. 2013. Т. 54. № 3. С. 336. [Yashtulov N.A., Revina A.A. // Kinetics and catalysis. 2013. V. 54. № 3. P. 336.]
  8. Nie Y., Li L., Wei Z. // J. Chemical Society Rewiews. 2013. № 3. P. 1.
  9. Курысь Я.И., Додон Е.С., Уставицкая Е.А. и др. // Электрохимия. 2012. Т. 48. № 11. С. 1161–1168. [Kurys Ya.I., Dodon E.S., Ustavitskaya E.A. et al. // Electrochemistry. 2012. Vol. 48. № 11. P. 1161.]
  10. Гуревич С.А., Ильющенков Д.С., Явсин Д.А. и др. // Там же. 2017. Т. 53. № 6. С. 642. [Gurevich S.A., Ilyushenkov D.S., Yavsin D.A. et al. // Electrochemistry. 2017. Vol. 53. № 6. P. 642.]
  11. Chen X., Zhu H., Zhao J. et al. // Angewandte Chemie Int. Ed. 2008. № 47. P. 5353.
  12. Yang W., Li J., Lan J. et al. // Int. J. of Hydrogen Energy XXX. 2018. P. 1.
  13. Wang N., Lu B., Li L. et al. // ACS Catalysis. 2018. № 8. P. 6827.
  14. Qin Y., Ou Z., Xu C. et al. // Nanoscale Res. Lett. 2021. P. 1.
  15. Liu Q., Peng Y., Li Q. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. P. 17641.
  16. Peera S., Kwon H., Lee T. et al. // Ionics. 2020. V. 26. P. 1563.
  17. Li Y., Nishidate K. // Int. J. of Hydrogen Energy. 2024. V. 51. P. 1471.
  18. Singh H., Zhuang S., Ingis B. et al. // Carbon. 2019. V. 151. P. 160.
  19. Yang Y., Qi W., Niu J. et al. // Int. J. of Hydrogen Energy XXX. 2020. V. 45. P. 15465.
  20. Zhu Y., Han C., Chen Z. // Int. J. of Hydrogen Energy. 2024. V. 60. P. 1359.
  21. Кузьмин А.В., Шаинян Б.А. // Успехи Химии. 2023. Т. 92. № 6. С. 1. [Kuzmin A.V., Shainyan B.A. // Russian Chemical Reviews. 2023. V. 92. № 6. P. 1.]
  22. Han C., Chen Z. // Applied Surface Science. 2020. V. 511. P. 1.
  23. Liang Z., Liu C., Chen M. et al. // New J. of Chemistry. 2019. V. 43. P. 19308.
  24. Ghandehari M.H., Andersen. T.N., Eyring H. // Corrosion Science. 1976. V. 16. P. 123.
  25. Крейзер И.В., Маршаков И.К., Тутукина М.Н., Зарцын И.Д. // Защита металлов. 2004. Т. 40. № 1. С. 28. [Kreizer I.V., Marshakov I.K., Tutukina M.N., Zartsyn I.D. // Protection of metals. 2004. V. 40. № 1. P. 28.]
  26. Маршаков И.К., Волкова Л.Е., Тутукина М.Н. и др. // Вестник ВГУ. 2005. № 2. С. 43. [Marshakov I.K., Volkova L.E., Tutukina M.N. et al. // Bulletin of the VSU. 2005. № 2. P. 43.]
  27. Nakajima Y., Abdul Latif M., Nagata T. et al. // J. Phys. Сhemistry. 2023. V. 18. № 24. P. 3570.
  28. Истомин С.Я., Лысков Н.В., Мазо Г.Н. и др. // Успехи Химии. 2021. Т. 90. № 6. С. 644. [Istomin S.Y., Lyskov N.V., Mazo G.N. et al. // Russian Chemical Reviews. 2021. V. 90. № 6. P. 644.]
  29. Кравченко Т.А., Золотухина Е.В., Чайка М.Ю., Ярославцев А.Б. // Электрохимия нанокомпозитов металл–ионообменник. М.: Наука, 2013. 365 с. [Kravchenko T.A., Zolotukhina E.V., Chaika M.Yu., Yaroslavtsev A.B. // Electrochemistry of Nanocomposites Metal–Ion Exchanger. M.: Science. 2013. 365 р.]
  30. Muraviev D.N., Ruiz P., Munoz M. et al. // Reactive & Functional Polymers. 2011. № 71. P. 916.
  31. Горшков В.С., Захаров П.Н., Полянский Л.Н. и др. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. № 4. С. 601. [Gorshkov V.S., Zakharov P.N., Polyansky L.N. et al. // Sorption and Chromatographic Processes. 2014. Vol. 14. № 4. P. 601.]
  32. Du C., Gao X., Chen W. // Chinese J. of Catalysis. 2016. № 37. P. 1049.
  33. Hussain S., Erikson H., Kongi N. et al. // J. Electrochemical Society. 2017. № 164. P. 1014.
  34. Богдановская В.А., Тарасевич М.Р. // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 4. С. 404. [Bogdanovskaya V.A., Tarasevich M.R. // Electrochemistry. 2011. V. 47. № 4. P. 404.]
  35. Shao M. // Catalysts. 2015. № 5. P. 2115.
  36. Lu Y., Thia L., Fisher A. et al. // Science China Materials. 2017. № 60. P. 1109.
  37. Strbac S., Srejic I., Rakocevic Z. // J. Electroanalytical Chemistry. 2017. № 789. P. 76.
  38. Гутерман А.В., Пахомова Е.Б. Гутерман Е.В. и др. // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 7. С. 829. [Guterman A.V., Pakhomova E.B. Guterman E.V. et al. // Inorganic Materials. 2009. V. 45. № 7. P. 829.]
  39. Меньщиков В.С., Беленов С.В., Новомлинский И.Н. и др. // Электрохимия. 2021. Т. 57. № 6. C. 331. [Menshchikov V.S., Belenov S.V., Novomlinsky I.N. et al. // Electrochemistry. 2021. V. 57. № 6. P. 331.]
  40. Selvaraju T., Ramaraj R. // PRAMANA – Indian Academy of Sciences. 2005. V. 65. № 4. P. 713.
  41. Lebedeva V.I., Gryaznov V.I., Petrova I.V. et al. // Kinetics and catalysis. 2006. V. 47. № 6. P. 867.
  42. Barau A., Budarin V., Luque R. et al. // Catal Lett. 2008. № 124. P. 204.
  43. Волков В.В., Кравченко Т.А., Ролдугин В.И. // Российские Нанотехнологии. 2013. Т. 82. № 5. С. 465. [Volkov V.V., Kravchenko T.A., Roldugin V.I. // Russian Nanotechnologies. 2013. Vol. 82. № 5. P. 465.]
  44. Слепцова О.В., Соцкая Н.В., Кравченко Т.А. // Журн. физ. химии. 1997. Т. 71. № 10. С. 1899. [Sleptsova O.V., Sotskaya N.V., Kravchenko T.A. // J. Phys.Сhemistry. 1997. V. 71. № 10. P. 1899.]
  45. Кравченко Т.А., Соцкая Н.В., Слепцова О.В. // Там же. 2000. Т. 74. № 6. С. 1111. [Kravchenko T.A., Sotskaya N.V., Sleptsova O.V. // Ibid. 2000. V. 74. № 6. P. 1111.]
  46. Полянский Л.Н. // Сорбционные и хроматографические Процессы. 2014. Т. 14. № 5. С. 813. [Polyansky L.N. // Sorption and Сhromatographic Рrocesses. 2014. V. 14. № 5. P. 813.]
  47. Полянский Л.Н., Горшков В.С., Вахнин Д.Д. и др. // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 7–8. С. 46. [Polyansky L.N., Gorshkov V.S., Vakhnin D.D. et al. // Russian Nanotechnologies. 2015. V. 10. № 7–8. P. 558.]
  48. Хорольская С.В., Полянский Л.Н., Кравченко Т.А. и др. // Журн. физ. химии. 2014. Т. 88. № 6. С. 1002. [Khorolskaya S.V., Polyansky L.N., Kravchenko T.A. et al. // J. Phys. Сhemistry. 2014. V. 88. № 6. P. 1000.]
  49. Полянский Л.Н., Коржов Е.Н., Вахнин Д.Д и др. // Журн. физ. химии. 2016. Т. 90. № 8. С. 1267. [Polyansky L.N., Korzhov E.N., Vakhnin D.D. et al. // J. Phys. Сhemistry. 2016. V. 90. № 8. P. 675.]
  50. Полянский Л.Н., Коржов Е.Н., Вахнин Д.Д. и др. // Журн. физ. химии. 2016. Т. 90. № 9. С. 1414. [Polyansky L.N., Korzhov E.N., Vakhnin D.D. et al. // J. Phys. Сhem. 2016. V. 90. № 9. P. 1889.]
  51. Вахнин Д.Д., Придорогина В.Е., Полянский Л.Н. и др. // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 1. С. 155. [Vakhnin D.D., Pridorogina V.E., Polyansky L.N. et al. // J. Phys. Сhem. 2018. V. 92. № 1. P. 172.]
  52. Вахнин Д.Д., Полянский Л.Н., Кравченко Т.А. и др. // Журн. физ. химии. 2019. Т. 93. № 5. С. 749. [Vakhnin D.D., Polyansky L.N., Kravchenko T.A. et al. // J. Phys. Сhem. 2019. Vol. 93. № 5. Р. 793.]
  53. Кравченко Т.А., Конев Д.В., Вахнин Д.Д. и др. // Российские Нанотехнологии. 2019. Т. 14. № 11–12. С. 15. [Kravchenko T.A., Konev D.V., Vakhnin D.D. et al. // Russian Nanotechnologies. 2019. V. 14. № 11–12. P. 15.]
  54. Кравченко Т.А., Вахнин Д.Д., Придорогина В.Е. и др. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2020. Т. 20. № 4. С. 539. [Kravchenko T.A., Vakhnin D.D., Pridorogina V.E. et al. // Sorption and Chromatographic Processes. 2020. V. 20. № 4. Р. 539.]
  55. 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 Chromatographic Processes. 2021. V. 21. № 5. P. 630.]
  56. Вахнин Д.Д., Фертикова Т.Е. Полянский Л.Н. и др. // Российские нанотехнологии. 2022. Т. 17. № 6. С. 799. [Vakhnin D.D., Fertikova T.E., Polyansky L.N. et al. // Russian Nanotechnologies. 2022. V. 17. № 6. P. 766.]
  57. Кравченко Т.А., Крысанов В.А., Головин И.А. // Электрохимия. 2023. Т. 59. № 3. С. 134. [Kravchenko T.A., Krysanov V.A., Golovin I.A. // Electrochemistry. 2023. V. 59. № 3. P. 1729.]
  58. Кравченко Т.А., Фертикова Т.Е., Головин И.А. и др. // Журн. физ. химии. 2023. Т. 97. № 12. С. 1729. [Kravchenko T.A., Fertikova T.E., Golovin I.A. et al. // J. Physics Chemistry. 2023. V. 97. № 12. P. 2768.]
  59. Кравченко Т.А., Полянский Л.Н., Калиничев А.И., Конев Д.В. // Нанокомпозиты металл-ионообменник. М.: Наука, 2009. 391 с. [Kravchenko T.A., Polyansky L.N., Kalinichev A.I., Konev D.V. // Metal–Ion Exchanger Nanocomposites. M.: Science, 2009. 391 р.]
  60. Чайка М.Ю., Кравченко Т.А., Полянский Л.Н. и др. // Электрохимия. 2008. Т. 44. № 11. С. 1337. [Chaika M.Y., Kravchenko T.A., Polyansky L.N. et al. // Electrochemistry. 2008. V. 44. № 11. P. 857.]
  61. Полянский Л.Н., Горшков В.С., Кравченко Т.А. // Журн. физ. химии. 2012. Т. 86. № 1. С. 121. [Polyansky L.N., Gorshkov V.S., Kravchenko T.A. // J. Phys. Сhem. 2012. V. 86. № 1. P. 114.]
  62. Сергеева О.В., Рахманов C.K. Введение в нанохимию: пособие для студентов хим. фак. Минск. 2009. 178 с. [Sergeeva O.V., Rakhmanov S.K. Introduction to nanochemistry: The schoolbook for students. Minsk. 2009. 178 р.]

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема семиступенчатого электродеоксигенатора с насадкой зернистого НК в катодной камере для удаления кислорода, растворенного в воде: K – катоды, A – аноды, MК-40 – мембрана, Lewatit K2620(Na+) – гранулированный сульфокатионообменник, Cu0∙Lewatit K2620(Na+) – нанокомпозит, R – резисторы с изменяемым сопротивлением, Rj – сопротивление j-ступени, Ij – сила тока на j-ступени.

Скачать (334KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Кинетические зависимости концентрации растворенного в воде кислорода С (а) и относительной концентрации кислорода С/С0 (б) в воде на выходе из катодно-поляризуемого зернистого слоя нанокомпозита Cu0·Lewatit K2620(Na+) в одноступенчатом электролизере с различной скоростью протока воды u, см/с: 1 – 0.33; 2 – 0.50. Кривые: 1, 2 – концентрация кислорода C0 на входе в зернистый слой; 1ʹ, 2ʹ – концентрация кислорода С на выходе из зернистого слоя, 3 – относительная концентрация кислорода на выходе.

Скачать (209KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Зависимости от времени количества Q (а) и скорости dQ/dt (б) поглощения кислорода из воды зернистым слоем нанокомпозита Cu0·Lewatit K2620(Na+) в одноступенчатом электролизере с различной скоростью протока воды u, см/с: 1 – 0.33; 2 – 0.50. Кривые: 1, 2 – общее количество поглощенного кислорода; 1ʹ, 2ʹ – количество кислорода, поглощенного за счет тока.

Скачать (222KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Кинетические зависимости концентрации растворенного в воде кислорода С (а) и относительной концентрации кислорода С/С0 (б) в воде на выходе из катоднополяризуемого зернистого слоя нанокомпозита Cu0·Lewatit K2620(Na+) в семиступенчатом электролизере с различной скоростью протока воды u, см/с: 1 – 0.33; 2 – 0.50. Кривые: 1, 2 – концентрация кислорода C0 на входе в зернистый слой; 1ʹ, 2ʹ – концентрация кислорода С на выходе из зернистого слоя, 3 – относительная концентрация кислорода на выходе.

Скачать (200KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Зависимости от времени количества Q (а) и скорости dQ/dt (б) поглощения кислорода из воды зернистым слоем нанокомпозита Cu0·Lewatit K2620(Na+) в семиступенчатом электролизере с различной скоростью протока воды u, см/с: 1 – 0.33; 2 – 0.50. Кривые 1, 2 – общее количество поглощенного кислорода; 1ʹ, 2ʹ – количество кислорода, поглощенного за счет тока.

Скачать (219KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Микрофотографии срезов зерен нанокомпозита Cu0∙Lewatit K2620 при электровосстановлении растворенного в воде кислорода предельно допустимым током (I/Ilim ≈ 1); а – исходное состояние, б – I/Ilim ≈ 1.

Скачать (821KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Пространственная схема процесса восстановления кислорода на катодно поляризованном медь-ионообменном нанокомпозите: А – анод, М – ионообменная мембрана, К – катод. Черта над символом означает принадлежность к ионообменной матрице.

Скачать (97KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025