Осаждение допированного железом бирнессита при одновременном электровосстановлении перманганата и феррата(VI) в растворе гидроксида натрия

Обложка

Цитировать

Полный текст

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

Аннотация

Восстановление перманганата на вращающемся дисковом электроде в щелочных условиях сопровождается ингибированием осаждающимся бирнесситом. При добавлении в раствор феррата(VI) калия ингибирование усиливается. В эксперименте с осаждением при потенциалах ингибирования выявлена возможность получения электродного материала на основе допированного железом бирнессита. Показано, что он является однофазным и структурно сильно разупорядоченным. Содержание Fe изменяется от 0 до 10 мол. % по отношению к Mn при увеличении содержания феррата(VI) в растворе осаждения. Потенциалы перезаряжения бирнессита сдвигаются, что показано при помощи циклической вольтамперометрии. Допирование позволяет существенно увеличить скорость реакции выделения кислорода, и величины удельных токов возрастают вместе с увеличением содержания железа в бирнессите. Тафелевский наклон снижается в 2.5 раза и составляет 53 мВ/дек для бирнессита, содержащего 10 мол. % Fe.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. В. Пуголовкин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Автор, ответственный за переписку.
Email: leoff@elch.chem.msu.ru
Россия, Москва

Э. Е. Левин

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова; ФНИЦ “Кристаллография и фотоника” РАН

Email: leoff@elch.chem.msu.ru
Россия, Москва; Москва

Список литературы

  1. Zhu, S., Huo, W., Liu, X., and Zhang, Y., Birnessite based nanostructures for supercapacitors: challenges, strategies and prospects, Nanoscale Adv., 2020, vol. 2, p. 37. doi: 10.1039/C9NA00547A
  2. Elmacı, G., Özgenç, G., Kurz, P., and Zumreoglu-Karan, B., Enhanced water oxidation performances of birnessite and magnetic birnessite nanocomposites by transition metal ion doping, Sustainable Energy & Fuels, 2020, vol. 4, p. 3157. doi: 10.1039/D0SE00301H
  3. 3. Fang, X., Liu, Y., Cen, W., and Cheng, Y., Birnessite as a highly efficient catalyst for low-temperature NH3-SCR: the vital role of surface oxygen vacancies, Industrial & Engineering Chem. Res., 2020, vol. 59, p. 14606. doi: 10.1021/acs.iecr.0c00188
  4. Gusain, R., Gupta, K., Joshi, P., and Khatri, O.P., Adsorptive removal and photocatalytic degradation of organic pollutants using metal oxides and their composites: A comprehensive review, Advances in colloid and interface science, 2019, vol. 272, p. 102009. doi: 10.1016/j.cis.2019.102009
  5. Fang, Q., Ye, S., Yang, H., Yang, K., Zhou, J., Gao, Y., Lin Q, Tan, X., and Yang, Z., Application of layered double hydroxide-biochar composites in wastewater treatment: Recent trends, modification strategies, and outlook, J. Hazardous Mater., 2021, vol. 420, p. 126569. doi: 10.1016/j.jhazmat.2021.126569
  6. Yusuf, A., Sun, Y., Ren, Y., Snape, C., Wang, C., Jia, H., and He, J., Opposite Effects of Co and Cu Dopants on the Catalytic Activities of Birnessite MnO2 Catalyst for Low-Temperature Formaldehyde Oxidation, J. Phys. Chem. C, 2020, vol. 124, p. 26320. doi: 10.1021/acs.jpcc.0c08508
  7. Mang, C., Li, G., Rao, M., Zhang, X., Luo, J., and Jiang, T., Transition metal ions-modified birnessite toward highly efficiency photocatalytic formaldehyde oxidation under visible light irradiation, Environmental Sci. and Pollution Res., 2022, vol. 29, p. 49739. doi: 10.1007/s11356-022-19425-2
  8. Junming, C., You, L., Guiling, W., Jiahao, G., and Xuchun, W., Nickel-Doped Ultrathin K-Birnessite Manganese Oxide Nanosheet As Pseudocapacitor Electrode with Excellent Cycling Stability for High-Power Pesudocapacitors, ACS Sustainable Chem. Eng., 2017, vol. 5, p. 1594. doi: 10.1021/acssuschemeng.6b02363
  9. Zhao, Y., Fang, Q., Zhu, X., Xue, L., Ni, M., Qiu, C., Huang, H., Sun, S., Li, S., and Xia, H., Structure reinforced birnessite with an extended potential window for supercapacitors, J. Mater. Chem. A, 2020, vol. 8, p. 8969. doi: 10.1039/D0TA01480J
  10. Peng, H., Fan, H., Zhang, M., and Ning, L., Molybdenum-doped hexagonal birnessite as a promising electrode material of the electrochemical capacitor, Appl. Phys. A, 2018, vol. 124, p. 1. doi: 10.1007/s00339-018-1896-7
  11. Liu, H., Gu, W., Luo, B., Fan, P., Liao, L., Tian, E., Niu, Y., Fu, J., Wang, Z., Wu, Y., Lv, G., and Mei, L., Influence of Fe doping on the crystal structure, electronic structure and supercapacitance performance of birnessite [(Na,K)x(Mn4+, Mn3+)2O4·1.5H2O] with high areal mass loading, Electrochim. Acta, 2018, vol. 291, p. 31. doi: 10.1016/j.electacta.2018.08.145
  12. Dang, T.D., Le, T.T.H., Hoang, T.B.T., and Mai, T.T., Synthesis of nanostructured manganese oxides-based materials and application for supercapacitor, Advances in Natural Sci.: Nanosci. and Nanotechnol., 2015, vol. 6, p. 025011. doi: 10.1088/2043-6262/6/2/025011
  13. Yin, H., Kwon, K.D., Lee, J.Y., Shen, Y., Zhao, H., Wang, X., Liu, F., Zhang, J., and Feng, X., Distinct effects of Al3+ doping on the structure and properties of hexagonal turbostratic birnessite: A comparison with Fe3+ doping, Geochim. et Cosmochim. Acta, 2017, vol. 208, p. 268. doi: 10.1016/j.gca.2017.03.040
  14. Gu, W., Lv, G., Liao, L., Yang, C., Liu, H., Nebendahl, I., and Li, Z., Fabrication of Fe-doped birnessite with tunable electron spin magnetic moments for the degradation of tetracycline under microwave irradiation, J. Hazardous Mater., 2017, vol. 338, p. 428. doi: 10.1016/j.jhazmat.2017.05.044
  15. Pugolovkin, L.V., Levin, E.E., Arkharova, N.A., Orekhov, A.S., Presnov, D.E., and Tsirlina, G. A., Cathodic deposition of birnessite from alkaline permanganate solutions: Tools to control the current efficiency, morphology and adhesion, J. Electroanal. Chem., 2020, vol. 874, p. 114521. doi: 10.1016/j.jelechem.2020.114521
  16. Pugolovkin, L.V., Levin, E.E., Cherstiouk, O.V., Rudina, N.A., and Tsirlina, G.A., Fabrication and operation under the same conditions: oxygen reduction on electrodeposited manganese oxide, ECS Transactions, 2018, vol. 85, p. 137. doi: 10.1149/08512.0137ecst
  17. Pourbaix, M., Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Solutions, Houston: National Association of Corrosion Engineers, 1974. 644 p.
  18. Zhao, L., Chen, B.S., Zhang, J.L., and Wang, D.L., EQCM studies of composition and electrochemical performance of film prepared by electrochemical reduction of sodium ferrate, J. Solid State Electrochem., 2012, vol. 16, p. 2079. doi: 10.1007/s10008-011-1618-y
  19. Панкратов, Д.А., Макунин, А.В., Малин, А.Г. Композиция для синтеза кислородных соединений железа со степенями окисления (+4), (+5) и (+6), способ ее получения и способ ее применения, Пат. 2600346 (Россия). 2016. [Pankratov, D.A., Makunin, A.V., and Malin, A.G., Composition for the synthesis of oxygen iron compounds with oxidation steps (+4), (+5) and (+6), method of their preparation and method of their use, Patent 2600346 (Russia), 2016.]
  20. Carrington, A., Schonland, D., and Symons, M. C. R., 132. Structure and reactivity of the oxyanions of transition metals. Part IV. Some relations between electronic spectra and structure, J. Chem. Soc. (Resumed), 1957, p. 659. doi: 10.1039/JR9570000659
  21. Шарло, Г. Методы аналитической химии. Количественный анализ неорганических соединений. М.: Химия, 1965 г., 976 с.
  22. Sekula-Brzezińska, K., Wrona, P.K., and Galus, Z., Rate of the MnO4−/MnO42− and MnO42−/MnO43− electrode reactions in alkaline solutions at solid electrodes, Electrochim. Acta, 1979, vol. 24, p. 555. doi: 10.1016/0013-4686(79)85032-X
  23. Wang, Y.L., Ye, S.H., Bo, J.K., Wang, Y.Y., and Wu, F., Electrochemical reduction mechanism of Fe (VI) at a porous Pt black electrode, J. Electrochem. Soc., 2009, vol. 156, p. A572. doi: 10.1149/1.3129243
  24. Christian, G.D., Sensmeier, R.K., and Wagner, W.F., Electrochemical studies of potassium ferrate (VI), Monatshefte für Chemie/Chem. Monthly, 1975, vol. 106, p. 813. doi: 10.1007/BF00902186
  25. Wulfsberg, G., Inorganic Chemistry, CA; Sausalito, 2000. 289 p.
  26. Волков, А.И., Жарский, И.М. Большой химический справочник, М.: Советская школа, 2005. 608 с. [Volkov, A.I. and Jarsky, I.M., Large chemical handbook (in Russian), Moskow: Soviet scool, 2005. 608 p.
  27. Giovanoli, R., Vernadite is random-stacked birnessite, Mineral. Deposita, 1980, vol. 15, p. 251. doi: 10.1007/BF00206520
  28. Giovanoli, R., Stahli, E., and Feitknecht, W., Über oxidhydroxide des vierwertigen mangans mit schichtengitter. 1. Mitteilung. natriummangan (II, III) manganat (IV), Helv. Chim. Acta, 1970, vol. 53, p. 453. doi: 10.1002/hlca.19700530302
  29. Manceau, A., Marcus, M. A., Grangeon, S., Lanson, M., Lanson, B., Gaillot, A. C., Skanthakumar, S., and Soderholm, L., Short-range and long-range order of phyllomanganate nanoparticles determined using high-energy X-ray scattering, J. Appl. Crystallogr., 2013, vol. 46, p. 193. doi: 10.1107/S0021889812047917
  30. Lopano, C.L., Heaney, P.J., Post, J.E., Hanson, J., and Komarneni, S., Time-resolved structural analysis of K-and Ba-exchange reactions with synthetic Na-birnessite using synchrotron X-ray diffraction, Amer. Mineral., 2007, vol. 92, p. 380. doi: 10.2138/am.2007.2242
  31. Larramona, G. and Gutiérrez, C., The Passive Film on Iron at pH 1–14: A Potential‐Modulated Reflectance Study, J. Electrochem. Soc., 1989, vol. 136, p. 2171. doi: 10.1149/1.2097242
  32. Scheitenberger, P., Brimaud, S., and Lindén, M., XRD/Raman spectroscopy studies of the mechanism of (de) intercalation of Na+ from/into highly crystalline birnessite, Mater. Advances, 2021, vol. 2, p. 3940. doi: 10.1039/D1MA00161B
  33. Zhang, Y., Fu, J., Cui, P., Cheng, S., Cui, X., Qin, T., Zhou, J., Zhang, Z., Su, Q., and Xie, E., Low-crystalline birnessite-MnO2 nanograins for high-performance supercapacitors, Electrochim. Acta, 2021, vol. 389, p. 138761. doi: 10.1016/j.electacta.2021.138761
  34. Julien, C., Massot, M., Baddour-Hadjean, R., Franger, S., Bach, S., and Pereira-Ramos, J. P., Raman spectra of birnessite manganese dioxides, Solid State Ionics, 2003, vol. 159, p. 345. doi: 10.1016/S0167-2738(03)00035-3
  35. Liu, S., Huang, H., Yang, C., Liu, Y., Li, H., Xia, H., Qin, T., Zhou, J., and Liu, X., Electrochemical activation enabling structure reconstruction of Fe-doped MnO2 for enhancing pseudocapacitive storage. Chem. Engineering Journal, 2022, vol. 441, p. 135967. doi: 10.1016/j.cej.2022.135967
  36. Pugolovkin, L.V. and Tsirlina, G.A., Birnessite for supercapacitors: alkaline versus neutral electrolytes, J. Appl. Electrochem., 2023, vol. 53, p. 909. doi: 10.1007/s10800-022-01823-6
  37. Ju, M., Chen, Z., Zhu, H., Cai, R., Lin, Z., Chen, Y., Wang, Y., Gao, J., Long, X., and Yang, S., Fe (III) Docking-Activated Sites in Layered Birnessite for Efficient Water Oxidation, J. Amer. Chem. Soc., 2023, vol. 145, p. 11215. doi: 10.1021/jacs.3c01181
  38. Wang, J.G., Kang, F., and Wei, B., Engineering of MnO2-based nanocomposites for high-performance supercapacitors, Progress in Mater. Sci., 2015, vol. 74, p. 51. doi: 10.1016/j.pmatsci.2015.04.003
  39. Yang, Y., Su, X., Zhang, L., Kerns, P., Achola, L., Hayes, V., Quardokus, R., Suib, S., and He, J., Intercalating MnO2 nanosheets with transition metal cations to enhance oxygen evolution, ChemCatChem, 2019, vol. 11, p. 1689. doi: 10.1002/cctc.201802019
  40. Zhao, Y., Zhang, J., Wu, W., Guo, X., Xiong, P., Liu, H., and Wang, G., Cobalt-doped MnO2 ultrathin nanosheets with abundant oxygen vacancies supported on functionalized carbon nanofibers for efficient oxygen evolution, 2018, Nano Energy, vol. 54, p. 129. doi: 10.1016/j.nanoen.2018.10.008
  41. Teng, Y., Wang, X.D., Liao, J.F., Li, W.G., Chen, H.Y., Dong, Y.J., and Kuang, D.B., Atomically thin defect‐rich Fe–Mn–O hybrid nanosheets as high efficient electrocatalyst for water oxidation, Advanced Functional Mater., 2018, vol. 28, p. 1802463. doi: 10.1002/adfm.201802463

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Нормированные вольтамперограммы (а), зарегистрированные в растворах KMnO4 с различными концентрациями, указанными около соответствующих кривых. Вольтамперограммы при 100 (б) и 2 мВ/с (в), зарегистрированные в растворах 0.3 мМ K2FeO4 (1), 1 мМ KMnO4 (2), 1 мМ KMnO4 + 0.3 мМ K2FeO4 (3) и кривые (4), отвечающие сумме кривых 1 и 2. Скорость вращения – 900 об/мин

Скачать (246KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Величины токов в зависимости от корня из скорости вращения в растворах 0.3 мМ K2FeO4 (1), 1 мМ KMnO4 (2), 1 мМ KMnO4 + 0.3 мМ K2FeO4 (3), измеренные при потенциале –0.3 В. Скорость развертки потенциала – 100 мВ/с

Скачать (67KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Дифрактограммы бирнесситов, полученных из растворов 20 мМ KMnO4 (1) и 20 мМ KMnO4 + 0.3 мМ K2FeO4 (2). Заряд осаждения 1.05 Кл/см2. Рефлексы (3) относятся к расчетной дифрактограмме химически синтезированного бирнессита состава Na0.58Mn2O4×1.5H2O [30]

Скачать (97KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Содержание Fe и Na в бирнессите в зависимости от количества феррата в растворе осаждения, полученное из спектров РСМА, и величина загрузки бинессита при постоянном заряде осаждения 1.05 Кл/см2

Скачать (90KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Оптические (а) и КР-спектры (б) бирнесситов, полученных из растворов 20 мМ KMnO4 (1) и 20 мМ KMnO4 + 0.6 мМ K2FeO4 (2). Заряды осаждения для оптических спектров составляют 0.15 Кл/см2 (md = 47 мкг/см2), для КР-спектров – 1.05 Кл/см2. Оптические спектры осажденного электрохимически FeOOH с md = 5 мкг/см2 на FTO(3) и коллоидного Fe(OH)3 с md = 6 мкг/см2 (4) приведены слева и увеличены на врезке (а)

Скачать (158KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Микрофотографии поверхности (а) и скола (б) бирнессита, полученного из раствора 20 мМ KMnO4 + 0.3 мМ K2FeO4. Заряд осаждения 1.05 Кл/см2

Скачать (286KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Нормированные на величины загрузки вольтамперограммы бирнесситов в 1 М NaOH, полученных из растворов 20 мМ KMnO4 с различными добавками K2FeO4 в различных интервалах потенциалов. Скорость развертки потенциала – 10 мВ/с, заряд осаждения – 0.71 Кл/см2. Область максимума на анодной ветви вольтамперограммы (б) увеличена на врезке

Скачать (257KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Удельная емкость в ходе циклического перезаряжения бирнесситов, полученных из растворов 20 мМ KMnO4 (1) и 20 мМ KMnO4 + 0.3 мМ K2FeO4 (2). Скорость развертки потенциала – 100 мВ/с, заряд осаждения – 0.71 Кл/см2. На врезке приведены 2 (1) и 1000 (2) циклы бирнессита, осажденного из феррат-содержащего раствора

Скачать (90KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Квазистационарные кривые (а) и гальваностатические кривые при плотности тока 10 А/г (б) выделения кислорода в 1 М NaOH на бирнесситах, полученных из растворов 20 мМ KMnO4 с различными добавками K2FeO4. Квазистационарные кривые (а) зарегистрированы с шагом 10 мВ и временем стационирования при каждом потенциале не более 10 с. Заряд осаждения 0.071 Кл/см2 (md = 17 мкг/см2). Убыль удельной емкости, рассчитанная из циклических кривых в интервале потенциалов (–0.1 – 0.4) В после гальваностатических испытаний, приведена на врезке слева

Скачать (241KB)
Метаданные
11. Приложение
Скачать (199KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024