Наночастицы серебра и меди в ионообменных матрицах (МФ-4СК, КУ-23) в реакции восстановления кислорода при катодной поляризации

• Автор: Горшков, Владислав Сергеевич
• Шифр специальности: 02.00.04
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Воронеж
• Количество страниц: 148 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1. Общая характеристика нанокомпозитов металл-полимер

1.2. Редокс-сорбция кислорода на нанокомпозитных материалах

1.3. Электровосстановление кислорода в водных растворах

1.4. Электровосстановление кислорода на компактных электродах..

1.5. Электровосстановление кислорода на нанокомпозитных электродах с

полимерной и углеродной матрицами

1.6. Методы обескислороживания воды

1.7. Заключение
Глава 2. ИССЛЕДУЕМЫЕ СИСТЕМЫ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ
2.1. Химическое осаждение металлов (А£, Си)
2.2. Исследование свойств полученных композитов физическими методами

2.3. Методика определения истинной площади поверхности
нанокомпозитов Ме/МФ-4СК/АУ
2.4. Электрохимические исследования нанокомпозитных электродов.
2.5. Статистическая обработка результатов экспериментов
2.6. Выводы
Глава 3. КИНЕТИКА СТАДИИ ПЕРЕНОСА ЗАРЯДА В РЕАКЦИИ ВОССТАНОВЛЕНИЯ КИСЛОРОДА НАНОКОМПОЗИТАМИ
3.1. Химическое осаждение металлов в тонкопленочный композит МФ-
4СК/АУ
3.2. Кинетика восстановления кислорода на композитах Ме/МФ-4СК/АУ
3.3. Выводы
Глава 4. КИНЕТИКА ДИФФУЗИОННОГО ПЕРЕНОСА КИСЛОРОДА В НАНОКОМПОЗИТАХ
4.1. Химическое осаждение металлов в гранулированный макропористый ионообменник КУ-
4.2. Влияние бифункциональной природы нанокомпозита на предельный диффузионный ток восстановления кислорода
4.3. Выводы
Глава 5. ДИНАМИКА РЕДОКС-СОРБЦИИ КИСЛОРОДА ЗЕРНИСТЫМ СЛОЕМ КАТОДНО-ПОЛЯРИЗУЕМОГО НАНОКОМПОЗИТА
5.1. Динамика редокс-сорбции кислорода на одноступенчатом катодно-поляризуемом зернистом слое нанокомпозита
5.2. Динамика редокс-сорбции на ступенчато-поляризуемом зернистом слое нанокомпозита
5.3. Практическое применение полученных результатов
5.4. Выводы
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы исследования. Активное развитие современной физической химии наночастиц металлов связано с возможностью интенсификации химических и электрохимических реакций, таких как реакция восстановления кислорода, в которой заинтересованы многие отрасли промышленности для использования окислительных свойств кислорода, а также защиты от кислородной коррозии.
Одним из эффективных способов удаления молекулярного кислорода из воды является его восстановление на зернистом слое нанокомпозитов (НК) дисперсный металл (А§, Си, Вц N1) - ионообменная матрица. Кислород восстанавливается за счет окисления наночастиц металла. Химические свойства металлического компонента, размерный и ионообменный факторы играют определяющую роль в кинетике и динамике процесса редокс-сорбции.
При катодной поляризации восстановление кислорода происходит за счет электрического тока в основном на поверхности НК, тогда как в порах продолжается процесс окисления наночастиц. В рамках внешнедиффузионных ограничений показана целесообразность послойной катодной поляризации, проведен теоретический расчёт динамики редокс-сорбции (Л.А. Шинкевич, 2012). Экспериментального обоснования расчета, однако, не дано; химические свойства НК, размерный и ионообменный факторы не выявлены, что и определило постановку цели настоящей работы.
Цель работы: определение роли размерного и ионообменного факторов в кинетике и динамике восстановления растворенного в воде кислорода на нанокомпозитах металлов (Ag, Си) с ионообменными матрицами (МФ-4СК, КУ-23) в условиях катодной поляризации.

выделению водорода на участках слоя, через которые протекает раствор с пониженной концентрацией кислорода. Обойти ограничение, связанное с различным содержанием кислорода по высоте слоя НК, можно путем деления всего насыпного слоя на малые по своей величине независимые участки, поляризуемые собственным током. Простейшая математическая модель такого деления была предложена в [138]. Динамика восстановления кислорода из проточного водного раствора сульфата натрия на катодно поляризованном зернистом слое нанокомпозита меди с сульфокатионообменником КУ-23 была изучена в [139]. Обнаружено, что общий ток, подаваемый на реактор, с течением времени перераспределяется между отдельными ступенями зернистого слоя, причем это перераспределение близко к распределению предельного диффузионного тока по кислороду по высоте зернистого слоя. Со временем система достигает стационарного состояния, при котором наблюдается постоянное значение максимума поляризующего тока и степени восстановления кислорода. Кинетика восстановления кислорода на единичном зерне нанокомпозита меди с сульфокатионообменником КУ-23 была исследована в работе [140], где было подтверждено, что процесс лимитируется внешней диффузией кислорода к поверхности гранулы и реакция протекает главным образом на поверхности и в приповерхностном слое зерна нанокомпозита. Исследования, проведенные как на целом зерне, так и на его срезе, показали, что активным в реакции электровосстановления кислорода является лишь приповерхностная часть зерна нанокомпозита.
В присутствии кислорода в кислых средах на серебре и меди при катодной поляризации наблюдается «аномальное» растворение металлов, не смотря на то, что их стандартные равновесные потенциалы заметно положительнее катодных. Механизм этого явления был подробно изучен в работах [141-142]. Авторы делают выводы, что растворение серебра и меди при катодной поляризации определяется сопряженными электрохимическими процессами, состоящими из катодного восстановления