|

Фазы Руддлесдена --- Поппера LaSrM11-xM2xO4±δ (M1, M2--Fe, Co, Ni) как перспективный электрокатализатор реакций выделения кислорода и окисления мочевины

Авторы: Синицын П.А., Кузнецов В.В., Левченко С.В., Аверина Ю.М., Болдырев В.С. Опубликовано: 11.01.2025
Опубликовано в выпуске: #6(117)/2024  
DOI:

 
Раздел: Химия | Рубрика: Физическая химия  
Ключевые слова: перовскиты, фазы Руддлесдена --- Поппера, электролитическое получение водорода, выделение кислорода, окисление мочевины

Аннотация

Фазы Руддлесдена --- Поппера LaSrM11-xM2xO4±δ (M1, M2--Fe, Co, Ni) обладают высокой каталитической активностью в анодной области потенциалов. Вследствие низкого перенапряжения реакции выделения кислорода их можно использовать в качестве анодных материалов в процессе электрохимического получения водорода. Установлено, что оксиды Руддлесдена --- Поппера, полученные спрей-пиролизом водных растворов, которые содержат нитраты соответствующих металлов, обладают высокой фазовой чистотой и воспроизводимыми электрохимическими свойствами. Их каталитическая активность в реакции выделения кислорода снижается в ряду La0,5Sr1,5Ni0,5Fe0,5O4 (LSNF) > La0,5Sr1,5Co0,5Fe0,5O4 (LSCF) ≈ La0,5Sr1,5Co0,5Ni0,5O4 (LSCN), т. е. наиболее активны содержащие соединения железа катализаторы. Еще один подход, позволяющий снизить напряжение на электролизере, --- замена реакции выделения кислорода реакцией, протекающей при менее положительном значении электродного потенциала, например, реакцией электрохимического окисления мочевины. Каталитическая активность фаз Руддлесдена --- Поппера в реакции электро-химического окисления мочевины уменьшается в ряду LSCF > LSCN > LSNF. Резкое снижение токов реакции электрохимического окисления мочевины во времени, происходящее в потенциостатических условиях, связано с образованием у поверхности электрода слоя нерастворимых карбонатов, которые являются продуктами окисления мочевины. Ингибирующий эффект карбонатов может быть существенно снижен за счет увеличения их растворимости в растворах, подвергаемых электролизу, что может быть осуществлено заменой растворов KOH растворами CsOH или нагревом растворов KOH. Установлено, что стабильное во времени электроокисление мочевины возможно при температуре более 60 °C, что соответствует режиму работы промышленных фильтр-прессных электролизеров

Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 21-13-00419)

Просьба ссылаться на эту статью следующим образом:

Синицын П.А., Кузнецов В.В., Левченко С.В. и др. Фазы Руддлесдена --- Поппера LaSrM11-xM2xO4±δ (M1, M2--Fe, Co, Ni) как перспективный электрокатализатор реакций выделения кислорода и окисления мочевины. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2024, № 6 (117), с. 103--123. EDN: AFQQAS

Литература

[1] Grigoriev S.A., Porembsky V.I., Fateev V.N. Pure hydrogen production by PEM electrolysis for hydrogen energy. Int. J. Hydr. Energy, 2006, vol. 31, iss. 2, pp. 171--175. DOI: http://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2005.04.038

[2] Dodds P.E., Staffel I., Hawkes A.D., et al. Hydrogen and fuel cell technologies for heating: a review. Int. J. Hydr. Energy, 2015, vol. 40, iss. 5, pp. 2065--2083. DOI: http://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2014.11.059

[3] Григорьев С.А., Халиуллин М.М., Кулешов Н.В. и др. Электролиз воды в системе с твердым полимерным электролитом под давлением. Электрохимия, 2001, т. 37, № 8, с. 819--822. EDN: AZXNQT

[4] Xia Z., Deng Z., Jiang C., et al. Modeling and analysis of cross-flow solid oxide electrolysis cell with oxygen electrode/electrolyte interface oxygen pressure characteristic for hydrogen production. SSRN, 2022, vol. 529, art. 231248. DOI: https://dx.doi.org/10.2139/ssrn.3987808

[5] Liu X.-M., Cui X., Dastafkan K., et al. Recent advances in spinel-type electrocatalysts for bifunctional oxygen reduction and oxygen evolution reactions. J. Energy Chem., 2021, vol. 53, pp. 290--302. DOI: http://doi.org/10.1016/j.jechem.2020.04.012

[6] Hong S., Diez A.M., Adeyemi A.N., et al. Deep eutectic solvent synthesis of perovskite electrocatalysts for water oxidation. ACS Appl. Mater. Interfaces, 2022, vol. 14, iss. 20, pp. 23277--23284. DOI: http://doi.org/10.1021/acsami.1c24223

[7] Bhowmick S., Dhankhar A., Sahu T.K., et al. Low overpotential and stable electrocatalytic oxygen evolution reaction utilizing doped perovskite oxide, La0.7Sr0.3MnO3, modified by cobalt phosphate. ACS Appl. Energy Mater., 2020, vol. 3, iss. 2, pp. 1279--1285. DOI: http://doi.org/10.1021/acsaem.9b02167

[8] Liu D., Zhou P., Bai H., et al. Development of perovskite oxide-based electrocatalysts for oxygen evolution reaction. Small, 2021, vol. 17, iss. 43, art. 2101605. DOI: https://doi.org/10.1002/smll.202101605

[9] Pan Y., Xu X., Zhong Y., et al. Direct evidence of boosted oxygen evolution over perovskite by enhanced lattice oxygen participation. Nat. Commun., 2020, vol. 11, art. 2002. DOI: http://doi.org/10.1038/s41467-020-15873-x

[10] Beall C.E., Fabbri E., Schmidt Th.J., et al. Perovskite oxide based electrodes for the oxygen reduction and evolution reactions: the underlying mechanism. ACS Catal., 2021, vol. 11, iss. 5, pp. 3094--3114. DOI: http://doi.org/10.1021/acscatal.0c04473

[11] Wang F., Zhang Ch., Yang H. Mixed B-site Ruddlesden --- Popper phase Sr2(RuxIr1--x)O4 enables enhanced activity for oxygen evolution reaction. J. Energy Chem., 2022, vol. 70, pp. 623--629. DOI: http://doi.org/10.1016/j.jechem.2022.02.051

[12] Wang L., Li H., Liu J., et al. Labile oxygen participant adsorbate evolving mechanism to enhance oxygen reduction in SmMn2O5 with double-coordinated crystal fields. J. Mater. Chem. A, 2021, vol. 9, iss. 1, pp. 380--389. DOI: http://doi.org/10.1039/D0TA09537K

[13] Zagalskaya A., Alexandrov V. Role of defects in the interplay between adsorbate evolving and lattice oxygen mechanisms of the oxygen evolution reaction in RuO2 and IrO2. ACS Catal., 2020, vol. 10, iss. 6, pp. 3650--3657. DOI: http://doi.org/10.1021/acscatal.9b05544

[14] Xu X., Pan Y., Zhong Y., et al. Ruddlesden --- Popper perovskites in electrocatalysis. Mater. Horizons, 2020, vol. 7, iss. 10, pp. 2519--2565. DOI: http://doi.org/10.1039/D0MH00477D

[15] Forslund R.P., Hardin W.G., Rong X., et al. Exceptional electrocatalytic oxygen evolution via tunable charge transfer interactions in La0.5Sr1.5Ni1--xFexO4±δ Ruddlesden --- Popper oxides. Nat. Commun., 2018, vol. 9, art. 3150. DOI: http://doi.org/10.1038/s41467-018-05600-y

[16] Sinitsyn P.A., Kuznetsov V.V., Filatova E.A., et al. Ruddlesden --- Popper oxides LaSrM11-xM2xO4±δ (M1, M2--Fe, Co, Ni) synthesized by the spray-pyrolysis method as promising electrocatalysts for oxygen evolution reaction. Energies, 2022, vol. 15, iss. 21, art. 8315. DOI: http://doi.org/10.3390/en15218315

[17] Protsenko V. Thermodynamic aspects of urea oxidation reaction in the context of hydrogen production by electrolysis. Int. J. Hydr. Energy, 2023, vol. 48, iss. 63, art. 24207--24211. DOI: http://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2023.03.295

[18] Forslund R.P., Mefford J.T., Hardin W.G., et al. Nanostructured LaNiO3 perovskite electrocatalyst for enhanced urea oxidation. ACS Catal., 2016, vol. 6, iss. 8, pp. 5044--5051. DOI: http://doi.org/10.1021/acscatal.6b00487

[19] Forslund R.P., Alexander C.T., Abakumov A.M., et al. Enhanced electrocatalytic activities by substitutional tuning of nickel-based Ruddlesden --- Popper catalysts for the oxidation of urea and small alcohols. ACS Catal., 2019, vol. 9, iss. 3, pp. 2664--2673. DOI: http://doi.org/10.1021/acscatal.8b04103

[20] Lopez P.P., Chung D.Y., Rui X., et al. Dynamically stable active sites from surface evolution of perovskite materials during the oxygen evolution reaction. J. Am. Chem. Soc., 2021, vol. 143, iss. 7, pp. 2741--2750. DOI: http://doi.org/10.1021/jacs.0c08959

[21] Porokhin S.V., Nikitina V.A., Aksyonov D.A., et al. Mixed-cation perovskite La0.6Ca0.4Fe0.7Ni0.3O2.9 as a stable and efficient catalyst for the oxygen evolution reaction. ACS Catal., 2021, vol. 11, iss. 13, pp. 8338--8348. DOI: http://doi.org/10.1021/acscatal.1c00796

[22] Kim B.-J., Fabbri E., Abbott D.F., et al. Functional role of Fe-doping in CO-based perovskite oxide catalysts for oxygen evolution reaction. J. Am. Chem. Soc., 2019, vol. 141, iss. 13, pp. 5231--5240. DOI: http://doi.org/10.1021/jacs.8b12101

[23] Friebel D., Louie M.W., Bajdich M., et al. Identification of highly active Fe sites in (Ni, Fe)OOH for electrocatalytic water splitting. J. Am. Chem. Soc., 2015, vol. 137, iss. 3, pp. 1305--1313. DOI: http://doi.org/10.1021/ja511559d

[24] Sipos P., May P.M., Hefter G.T. Carbonate removal from concentrated hydroxide solutions. Analyst, 2000, vol. 125, iss. 5, pp. 955--958. DOI: http://doi.org/10.1039/A910335J

[25] Yang N., Du H., Wang S., et al. Solubility data for the KOH--K2CO3--K3VO4--H2O system at (313.15 and 353.15) K. J. Chem. Eng. Data, 2013, vol. 58, iss. 3, pp. 677--681. DOI: http://doi.org/10.1021/je301157h

[26] Богомолов Б.Б., Болдырев В.С., Зубарев А.М. и др. Интеллектуальный логико-информационный алгоритм выбора энергоресурсоэффективной химической технологии. Теоретические основы химической технологии, 2019, т. 53, № 5, с. 483--492. DOI: http://doi.org/10.1134/S0040357119050026

[27] Калистратова А.В., Ощепков М.С., Иванова М.С. и др. Применение микроволнового излучения в синтезе N-арил-N’-аминоэтилмочевин. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2021, № 5 (98), с. 125--141. DOI: http://doi.org/10.18698/1812-3368-2021-5-125-141

[28] Лубин А.А., Якушин Р.В., Ощепков М.С. и др. Плазмохимический синтез нитропроизводных аценафтена в поле токов высокой частоты при пониженном давлении. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки, 2023, № 4 (109), с. 123--140. DOI: http://doi.org/10.18698/1812-3368-2023-4-123-140