ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЕ ОСАЖДЕНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ КАТАЛИЗАТОРОВ ИЗ ИОННЫХ ЖИДКОСТЕЙ: КИНЕТИКА ЭЛЕКТРОДОВ, НОВЫЕ МЕТОДИКИ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ
Проект «Жас ғалым» Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан ИРН: AP14972836Актуальность проекта:
Преобразование CO2 в более восстановленные продукты, такие как углеводороды C2+ и многоуглеродные оксигенаты, является весьма актуальным из-за их более широкого применения и более высокой энергоемкости. Однако селективное превращение CO2 в более восстановленные продукты страдает от низкой селективности, низкой скорости реакции и высокого перенапряжения, а CO2RR (реакция электрохимического восстановления диоксида углерода) чрезвычайно чувствителен к структуре катализатора и электролиту.
Химические методы синтеза наночастиц обычно опирается на коллоидные способы, в которых кристаллическая структура наночастиц обеспечивается путем применения различных поверхностно-активные веществ. Данные методы требуют удаления поверхностно-активного вещества, которое отравляет поверхность катализатора и влияет на его каталитические характеристики. Физические методы, такие как распыление с металлических мишеней и в условиях сверхвысокого вакуума, позволяют контролируемо получать тонкую пленку из мультиметаллических наночастиц, однако характеризуется высокими энергозатратами. Электроосаждение - это универсальный и относительно недорогой метод осаждения различных сплавов. Использование ионной жидкости для электроосаждения обеспечивает широкие пределы потенциала, достаточную проводимость и не требует использования добавок. Однако исследование электроосаждения би- или мультиметаллических наноструктур в ионной жидкости все еще находится в зачаточном состоянии. Этот проект предполагает разработку различных наноструктурированных катализаторов, содержащих Cu, Au, In и S. Наши предыдущие исследования по электроосаждению индия продемонстрировали возможность получения осадков индия с высокой площадью активной поверхности как из водных электролитов, так и из ионной жидкости.
Цель проекта: Исследование электрохимического осаждения биметаллических катализаторов, как Cu-In, Cu-Au и In-S, из устойчивых к воде и воздуху ионных жидкости и разработка электрохимического метода синтеза наноструктурированных катализаторов.
Задачи проекта
i) Исследование кинетики электрохимического восстановления и электрохимической нуклеации индия, меди и Cu-In из ионной жидкости [Hbet][Tf2N] электрохимическими методами.
ii) Электрохимическое осаждение сплавов Cu-Au, Cu-In, In-S из глубоких эвтектических растворителей и ионных жидкостей на основе [Tf2N], устойчивых к воде и воздуху. Определение площади электрохимически активной поверхности биметаллических катализаторов методом электроосаждения свинца в условиях недонапряжения.
iii) Получение газодиффузионного электрода, модифицированного наноструктурированными катализаторами Cu-Au, Cu-In, In-S. Определение селективности полученных катализаторов для электрохимического восстановления диоксида углерода, а также для реакций восстановления кислорода и реакции выделения водорода.
Основные члены проекта
Руководитель проекта –
PhD, Авчукир Хайса. Cтарший научный сотрудник, ЦФХМА при НАО КазНУ имени аль-Фараби.
ORCID: 0000-0001-6612-0775
Researcher ID: P-5738-2017
Scopus ID: 57207207777
Научный консультант – PhD, Cherevko Serhiy, Group Leader, Forschungszentrum Jülich, Helmholtz Institut Erlangen Nürnberg Renewable Energy, Erlangen, Germany
Researcher ID: G-7166-2012
ORCID: 0000-0002-7188-4857
Scopus ID: 23569110000
http://www.hi-ern.de/hi-ern/eec
Ожидаемые результаты
– Будет исследована кинетика электрохимического восстановления индия, меди и их сплавов из бетаин бис-(трифторметилсульфонил)имид ионной жидкости.
– Биметаллические катализаторы Cu-Au, Cu-In, In-S будут получены электрохимическим осаждением из электролитов различных ионных жидкостей, и будет определена электрохимический активная площадь поверхности полученных катализаторов.
– Будет получен газодиффузионный электрод, модифицированный катализаторами Cu-Au, Cu-In, In-S для различного применения. Будет исследована селективность газодиффузионного электрода для преобразования CO2 и O2 в ценные продукты (С2+).
Также ожидается публикация следующих статей:
- не менее 2 (двух) статей в журналах из первых трех квартилей по импакт-фактору в базе данных Web of Science или имеющих процентиль по CiteScore в базе данных Scopus не менее 50.
Достигнутые результаты
За 2022 год были достигнуты следующие результаты:
– Была синтезирована ионная жидкость бис-(трифторметилсульфонил)имида бетаина. Синтез [Hbet][Tf2N] ИЖ был осуществлен из водных растворов соответствующих прекурсоров: гидрохлорида бетаина и бис-(трифторметилсульфонил)имидной соли лития.
– Исследована кинетика электрохимического восстановления индия из синтезированной ИЖ. Исследования электроосаждения индия из [Hbet][Tf2N] содержащей 0,1 моль/л комплексной соли [Inbet3][Tf2N]3 был осуществлен на индиевом и стеклоуглеродном электродах. Для этого была синтезирована комплексная соль индия с [Hbet][Tf2N] ионной жидкостью путем растворения In2O3 в [Hbet][Tf2N]. Результаты измерений спектроскопии электрохимического импеданса показывают, что импеданс индиевого электрода в исследуемых электролитах имеет сложный характер и кривая Найквиста не согласуется с простой эквивалентной схемой Рэндлса. Включение импеданса Геришера, указывающего на наличие гомогенной химической реакции в эквивалентную схему, продемонстрировало хорошее совпадение теоретических данных с измеренными диаграммами Найквиста.
– Также, были определены плотность тока обмена по схеме [Rs([RctGW]C)] равна 4,06×10-4 А/см2 при 348 К. На основе зависимости Рэндлса-Шевчика был рассчитан коэффициент диффузии ионов Inbet33+ (4,93×10–7 см2/с).
– Подана статья «Electrochemical reduction of indium from In-DTPA complexes and the kinetics of anodic dissolution» в журнал Journal of Electroanalytical Chemistry (Q2) имеющий процентиль 83 по CiteScore в базе данных Scopus.
Публикации по проекту
Статья «Electrochemical reduction of indium from In-DTPA complexes and the kinetics of anodic dissolution» находятся на рецензии в журнале Materials Chemistry and Physics (Q2) имеющий процентиль 85 по CiteScore в базе данных Scopus.
Авторы: Bekey A., Avchukir K., Badavamova G.L.
Потенциальным пользователям проекта:
Областью применения Cu-In, Cu-Au и In-S биметаллических катализаторов является электрокаталитическое восстановления диоксида углерода.
Полученные электрохимическим осаждением из ионной жидкости биметаллические Cu-Au, Cu-In, In-S катализаторы с большой площадью электрохимически активной поверхности применим для различных электрокаталитических реакций. Ожидаемая высокая селективность разработанного газодиффузионного электрода для преобразования СО2 в ценные углеводороды С2+ имеет высокий научный и промышленный потенциал. Результаты, полученные в ходе реализации проекта, будут способствовать развитию «зеленых» технологий и производству продукции С2+ для потенциальных потребителей.
По всем интересующим Вас вопросам обращайтесь по e-mail: khaisa.avchukir@cfhma.kz или avchukir.khasia@kaznu.kz
Corresponding author: PhD, Avchukir K. e-mail: khaisa.avchukir@cfhma.kz