Спосіб одержання наноструктурованого катодного матеріалу на основі нікелю для електрохімічного виділення водню

Спосіб отримання наноструктурованого катодного матеріалу на основі нікелю для електрохімічного виділення водню, що включає розміщення на горизонтальній поверхні нікелю з однієї сторони наноструктурованих елементів у вигляді конусів висотою 50 нм і радіусом заокруглення 50 нм, який відрізняється тим, що на вершини конусів додатково осаджують платину з насиченого розчину K2[PtCl6], при цьому подають 1-3 імпульси постійної напруги величиною -0,5 ± 0,01 В протягом однієї секунди при температурі 293 K. (19) (21) u201104246 (22) 07.04.2011 (24) 12.12.2011 (46) 12.12.2011, Бюл.№ 23, 2011 р. (72) ШЕВЧЕНКО ОЛЕКСАНДР ПЕТРОВИЧ, АКСІМЕНТЬЄВА ОЛЕНА ІГОРІВНА, ЛУТ ОЛЕНА АРТУРІВНА, БІЛИЙ ОНУФРІЙ ВАСИЛЬОВИЧ (73) ЛЬВІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ ІВАНА ФРАНКА, ЧЕРКАСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІМЕНІ БОГДАНА ХМЕЛЬНИЦЬКОГО 3 65397 змогу знизити перенапругу та інтенсифікувати процес електрохімічного виділення водню. Поставлена задача вирішується тим, що у способі отримання наноструктурованого катодного матеріалу на основі нікелю для електрохімічного виділення водню, за яким на горизонтальній поверхні нікелю з однієї сторони розміщують наноструктуровані елементи у вигляді конусів висотою 50 нм і радіусом закруглення 50 нм, на вершини конусів додатково осаджують платину з насиченого розчину K2[PtCl6], при цьому подають 1-3 імпульси постійної напруги величиною -0,5 ± 0,01 В протягом однієї секунди при температурі 293 К. З літературних джерел відомо, що в промисловості для одержання водню електрохімічним способом застосовують катодний матеріал, виготовлений у вигляді пластин на основі гладкого нікелю або м'якої сталі [Прикладная электрохимия / Под ред. А. П. Томилова. - М., 1984]. Недоліком цих електродних матеріалів є велика енергоємність процесу виділення водню внаслідок високих значень перенапруги водню на сталевому та нікелевому електродах. Авторами корисної моделі встановлено, що конусоподібна форма гостряка забезпечує на його вершині найбільший коефіцієнт підсилення електричного поля. Така нерівномірність у розподілі потенціалу приводить до того, що мікрокількості платини осаджуються лише на вершині конуса, а не по всій поверхні електроду і в значній мірі впливає на характер процесу і перенапругу виділення водню. При цьому водень не накопичується в порах, а вільно виділяється з поверхні електрода завдяки конусоподібній формі наноструктурованих елементів. Перелік фігур Фіг.1. Потенціодинамічні криві виділення водню у 2М розчині КОН на наноструктурованому нікелевому електроді (1) та наноструктурованому нікелевому електроді з додатково осадженою пла-2 тиною. Швидкість розгортки потенціалу v = 5·10 В/с, Т = 293 К Фіг.2. Поляризаційні криві виділення водню на наноструктурованому нікелевому електроді з додатково осадженою платиною; (2М КОН; Т=298К): 1- одразу після занурення електроду в розчин; 2 електрод витримували в розчині протягом 6 діб і попередньо поляризували протягом 5 годин; 3 4 електрод витримували в розчині протягом 8 діб і попередньо поляризували 5 годин. Спосіб можна проілюструвати прикладами. Приклад 1. Для отримання наноструктурованого катодного матеріалу використовують стандартну електрохімічну комірку, в якій робочим електродом слугує пластинка наноструктурованого нікелю, допоміжним електродом - платинова платинована пласти-4 2 нка, з видимою поверхнею 7·10 м , електрод порівняння - насичений хлорсрібний. Всі значення потенціалів перераховувались відносно нормального водневого електрода. Як джерело живлення використовують потенціостат ПИ-50.1 з програматором ПР-8. Об'єм комірки заповнюють насиченим водним розчином K2[PtCl6] при температурі 293 К. Електроди занурюють в електроліт і подають 3 імпульси від'ємної постійної напруги значенням 0,5 ±0,01 В протягом 1 секунди. Після вимкнення джерела живлення пластинку наноструктурованого нікелю вилучають з комірки, промивають дистильованою водою і висушують при температурі 393 К протягом 30 хвилин. Поверхню отриманого катодного матеріалу досліджують за допомогою растрового електронного мікроскопа РЕМ- 100У, електрохімічні властивості шляхом зняття поляризаційних кривих у 2М розчині гідроксиду калію при Т = 293 К. На мікрофотографіях елементів гострійних структур, отриманих при збільшенні в 6000-8000 разів, не спостерігається шарів електроосадженої платини, а тільки кластерні утворення цього металу на вершинах гостряків. Порівняння потенціодинамічних кривих виділення водню вказує на те, що форма кривих, отриманих на наноструктурованому нікелевому електроді, модифікованому мікрокількостями платини (Фіг.1), співпадає з формою кривої виділення водню на гладкій платині, одержаної в лужних розчинах [Делахей П. Двойной слой и кинетика электродных процессов / П Делахей. М.: Мир. – 1967. с. 358.]. Наявність двох піків вказує на адсорбцію двох форм водню. Отже певна кількість атомів платини осаджується на елементах структури і в значній мірі впливає на характер процесу і перенапругу виділення водню. Підсилення напруженості поля на ділянках, де осаджена платина, буде значно більшим, ніж на окремій структурі, що і викликає ще більш активне виділення водню. Таблиця 1 Порівняльні характеристики катодних матеріалів при виділенні водню з водних розчинів 2 М КОН при 293 К Катодний матеріал Потенціал, Е, В (н.в.е.) Потенціал, Е, В(н.в.е.) 0.6 Густина струму, /, 2 А/м 5,7 Наноструктурований нікель, модифікований платиною Гладка платина Наноструктурований нікель Гладкий нікель Потенціал Е, В (н.в.е.) 0.8 Густина струму /, 2 А/м 7,5 1,2 Густина струму, /, 2 А/м 10,4 0.6 0.6 3,3 1,0 0,8 0,8 5,5 2,3 1,2 1,2 7,2 5,3 0.6 0,7 0,8 1,0 1,2 2,3 5 На основі порівняння параметрів стаціонарних поляризаційних кривих виділення водню на різних електродах (див. Таблицю 1) встановлено, що застосування запропонованого катодного матеріалу забезпечує суттєве зниження перенапруги виділення водню порівняно з гладким нікелевим електродом та наноструктурованим нікелевим електродом, наближаючи їх до значень перенапруги на чистій платині за наявності мікрокількостей цього металу на вершинах гострійних структур нікелю. Крім того, тривалий електроліз (протягом 8-10 діб) по виділенню водню на отриманому електроді не знижує, а навіть дещо збільшує струми Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 65397 6 виділення водню (Фіг.2). Це вказує на те, що платина досить міцно тримається на вершинах гостряків і з часом не втрачає своєї активності. Як можна бачити з даних, наведених у таблиці та фігурах, інтенсивність виділення водню на електроді, виготовленому на основі запропонованого катодного матеріалу - наноструктурованого нікелю, модифікованого мікро кількостями платини, у 10-16 разів вища в порівнянні з гладким нікелевим електродом, та в 1,5 - 2 рази - з гострійною структурою нікелю, чим досягається очікуваний технічний результат. Підписне Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601