Нанокомпозиты ZnO/ZnWO4 для фотоэлектрохимических приложений: синтез и свойства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Получена серия нанокомпозитов ZnO/ZnWO4 с различным содержанием фазы ZnWO4 на основе нанопорошков ZnO и WO3, электрохимически синтезированных под действием переменного импульсного тока. Комплексом физико-химических методов (рентгенофазовый анализ, спектроскопия комбинационного рассеяния, просвечивающая электронная микроскопия, энергодисперсионный микроанализ) исследованы состав и структурные характеристики полученных материалов. Определен оптимальный состав нанокомпозита с содержанием ZnWO4 ~ 6% для использования в качестве фотоанодного материала проточного фототопливного элемента с сульфатным электролитом с добавлением органического и неорганического топлива. Максимальные значения Eoc и Pmax, которые составили 850 мВ и 85.8 мкВт/см2 соответственно, были достигнуты при использовании Na2SO4 c добавлением глюкозы в качестве топлива.

Об авторах

А. А. Ульянкина

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: anya-barbashova@yandex.ru
Россия, Новочеркасск

А. Д. Царенко

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: anya-barbashova@yandex.ru
Россия, Новочеркасск

Т. А. Молодцова

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Email: anya-barbashova@yandex.ru
Россия, Новочеркасск

М. В. Горшенков

Национальный исследовательский технологический университет “МИСИС”

Email: anya-barbashova@yandex.ru
Россия, Москва

Н. В. Смирнова

Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) им. М.И. Платова

Автор, ответственный за переписку.
Email: anya-barbashova@yandex.ru
Россия, Новочеркасск

Список литературы

  1. Isaev, A.B., Shabanov, N.S., Sobola, D., Kaviyarasu, K., Ismailov, A.M., and Omarov, G.M., ZnO/Chalcogenides Semiconductor Heterostructures for Photoelectrochemical Water Splitting, in Nanomaterials for Energy Conversion, Biomedical and Environmental Applications, Kasinathan, K., Elshikh, M.S., and Al Farraj, D.A.-A., Editors. 2022, Singapore: Springer Nature, p. 3-35. https://doi.org/10.1007/978-981-19-2639-6_1
  2. Grinberg, V.A., Emets, V.V., Maiorova, N.A., Maslov, D.A., Averin, A.A., Polyakov, S.N., Molchanov, S.P., Levin, I.S., and Tsodikov, M.V., Photoelectrochemical Activity of Nanosized Titania, Doped with Bismuth and Lead, in Visible Light Region, Prot. Met. Phys. Chem. Surf., 2019, vol 55, p. 55. https://doi.org/10.1134/S207020511901012X
  3. Kageshima, Y., Wada, H., Teshima, K., and Nishikiori, H., Hydrogen evolution and electric power generation through photoelectrochemical oxidation of cellulose dissolved in aqueous solution, Appl. Catal. B: Environ., 2023, vol. 327, p. 122431. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2023.122431
  4. Ismael, M., Latest progress on the key operating parameters affecting the photocatalytic activity of TiO2-based photocatalysts for hydrogen fuel production: A comprehensive review, Fuel, 2021, vol. 303, p. 121207. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121207
  5. Molodtsova, T., Gorshenkov, M., Kolesnikov, E., Leontyev, I., Kaichev, V., Zhigunov, D., Faddeev, N., Kuriganova, A., and Smirnova, N., Fabrication of nano-In2O3 phase junction by pulse alternating current synthesis for enhanced photoelectrochemical performance: Unravelling the role of synthetic conditions, Ceram. Int., 2023, vol. 49, p. 10986. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.293
  6. Tsarenko, A., Gorshenkov, M., Yatsenko, A., Zhigunov, D., Butova, V., Kaichev, V., and Ulyankina, A., Electrochemical Synthesis-Dependent Photoelectrochemical Properties of Tungsten Oxide Powders, Chem Engineering, 2022, vol. 62, p. 31. https://doi.org/10.3390/chemengineering6020031
  7. Mika, K., Syrek, K., Uchacz, T., Sulka, G.D., and Zaraska, L., Dark nanostructured ZnO films formed by anodic oxidation as photoanodes in photoelectrochemical water splitting, Electrochim. Acta, 2022, vol. 414, p. 140176. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2022.140176
  8. Wannapop, S. and Somdee, A., Effect of citric acid on the synthesis of ZnWO4/ZnO nanorods for photoelectrochemical water splitting, Inorg. Chem. Commun., 2020, vol. 115, p. 107857. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2020.107857
  9. Navarro-Gázquez, P.J., Blasco-Tamarit, E., Muñoz-Portero, M.J., Solsona, B., Fernández-Domene, R.M., Sánchez-Tovar, R., and García-Antón, J., Influence of Zn(NO3)2 concentration during the ZnO electrodeposition on TiO2 nanosponges used in photoelectrochemical applications, Ceram. Int., 2022, vol. 48, p. 14460. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.339
  10. Chen, Y., Wang, L., Gao, R., Zhang, Y.-C., Pan, L., Huang, C., Liu, K., Chang, X.-Y., Zhang, X., and Zou, J.-J., Polarization-Enhanced direct Z-scheme ZnO-WO3–x nanorod arrays for efficient piezoelectric-photoelectrochemical Water splitting, Appl. Catal. B: Environ., 2019, vol. 259, p. 118079. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2019.118079
  11. Uchiyama, H., Nagao, R., and Kozuka, H., Photoelectrochemical properties of ZnO–SnO2 films prepared by sol–gel method, J. Alloys Compd., 2013, vol. 554, p. 122. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2012.11.196
  12. He, G., Mi, Y., Wang, D., Zhang, B., Zheng, D., Bai, Y., and Shi, Z., Synthesis Methods and Applications of Semiconductor Material ZnWO4 with Multifunctions and Multiconstructions, Energy Technol., 2021, vol. 9, p. 2100733. https://doi.org/10.1002/ente.202100733
  13. Jaramillo-Páez, C., Navío, J.A., Puga, F., and Hidalgo, M.C., Sol-gel synthesis of ZnWO4-(ZnO) composite materials. Characterization and photocatalytic properties, J. Photochem. Photobiol. A: Chem., 2021, vol. 404, p. 112962. https://doi.org/10.1016/j.jphotochem.2020.112962
  14. Gao, D., Li, H., Wei, P., Wang, Y., Wang, G., and Bao, X., Electrochemical synthesis of catalytic materials for energy catalysis, Chinese J. Catal., 2022, vol. 43, p. 1001. https://doi.org/10.1016/S1872-2067(21)63940-2
  15. Kromer, M.L., Monzó, J., Lawrence, M.J., Kolodziej, A., Gossage, Z.T., Simpson, B.H., Morandi, S., Yanson, A., Rodríguez-López, J., and Rodríguez, P., High-Throughput Preparation of Metal Oxide Nanocrystals by Cathodic Corrosion and Their Use as Active Photocatalysts, Langmuir, 2017, vol. 33, p. 13295. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.7b02465
  16. Ulyankina, A., Molodtsova, T., Gorshenkov, M., Leontyev, I., Zhigunov, D., Konstantinova, E., Lastovina, T., Tolasz, J., Henych, J., Licciardello, N., Cuniberti, G., and Smirnova, N., Photocatalytic degradation of ciprofloxacin in water at nano-ZnO prepared by pulse alternating current electrochemical synthesis, J. Water Process. Eng., 2021, vol. 40, p. 101809. https://doi.org/10.1016/j.jwpe.2020.101809
  17. Mediouni, N., Guillard, C., Dappozze, F., Khrouz, L., Parola, S., Colbeau-Justin, C., Amara, A.B.H., Rhaiem, H.B., Jaffrezic-Renault, N., and Namour, P., Impact of structural defects on the photocatalytic properties of ZnO, J. Hazard. Mater. Adv., 2022, vol. 6, p. 100081. https://doi.org/10.1016/j.hazadv.2022.100081
  18. Gonçalves, R.F., Longo, E., Marques, A.P.A., Silva, M.D.P., Cavalcante, L.S., Nogueira, I.C., Pinatti, I.M., Pereira, P.F.S., and Godinho, M.J., Structural investigation and photoluminescent properties of ZnWO4:Dy3+ nanocrystals, J. Mater. Sci. Mater. Electron., 2017, vol. 28, p. 15466. https://doi.org/10.1007/s10854-017-7434-0
  19. Wei, Y., Wang, L., and Chen, C., Yttrium doping enhances the photoelectrochemical water splitting performance of ZnO nanorod array films, J. Alloys Compd., 2022, vol. 896, p. 163144. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163144
  20. Masoumi, Z., Tayebi, M., Kolaei, M., and Lee, B.-K., Improvement of surface light absorption of ZnO photoanode using a double heterojunction with α–Fe2O3/g–C3N4 composite to enhance photoelectrochemical water splitting, Appl. Surf. Sci., 2023, vol. 608, p. 154915. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2022.154915
  21. Li, P., Zhao, X., Jia, C.-j., Sun, H., Sun, L., Cheng, X., Liu, L., and Fan, W., ZnWO4/BiOI heterostructures with highly efficient visible light photocatalytic activity: the case of interface lattice and energy level match, J. Mater. Chem. A, 2013, vol. 1, p. 3421. https://doi.org/10.1039/C3TA00442B
  22. Hao, Y., Zhang, L., Zhang, Y., Zhao, L., and Zhang, B., Synthesis of pearl necklace-like ZnO–ZnWO4 heterojunctions with enhanced photocatalytic degradation of Rhodamine B, RSC Adv., 2017, vol. 7, p. 26179. https://doi.org/10.1039/C6RA28766B
  23. Savić, T.D., Validžić, I.L., Novaković, T.B., Vuković, Z.M., and Čomor, M.I., A Synergy of ZnO and ZnWO4 in Composite Nanostructures Deduced from Optical Properties and Photocatalysis, J. Clust. Sci., 2013, vol. 24, p. 679.https://doi.org/10.1007/s10876-013-0562-7
  24. Leeladevi, K., Arunpandian, M., Vinoth Kumar, J., Chellapandi, T., Mathumitha, G., Lee, J.-W., and Nagarajan, E.R., CoWO4 decorated ZnO nanocomposite: Efficient visible-light-activated photocatalyst for mitigation of noxious pollutants, Physica B Condens. Matter, 2022, vol. 626, p. 413493. https://doi.org/10.1016/j.physb.2021.413493
  25. Kurenkova, A.Y., Yakovleva, A.Y., Saraev, A.A., Gerasimov, E.Y., Kozlova, E.A., and Kaichev, V.V., Copper-Modified Titania-Based Photocatalysts for the Efficient Hydrogen Production under UV and Visible Light from Aqueous Solutions of Glycerol, Nanomaterials, 2022, vol. 12, p. 3106. https://doi.org/10.3390/nano12183106
  26. Sena, I.C., Sales, D.d.O., Andrade, T.S., Rodriguez, M., da Silva, A.C., Nogueira, F.G.E., Rodrigues, J.L., de Mesquita, J.P., and Pereira, M.C., Photoassisted chemical energy conversion into electricity using a sulfite‑iron photocatalytic fuel cell, J. Electroanal. Chem., 2021, vol. 881, p. 114940. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2020.114940
  27. He, L., Yang, Z., Gong, C., Liu, H., Zhong, F., Hu, F., Zhang, Y., Wang, G., and Zhang, B., The dual-function of photoelectrochemical glucose oxidation for sensor application and solar-to-electricity production, J. Electroanal. Chem., 2021, vol. 882, p. 114912. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2020.114912
  28. Yong, Z.-J., Lam, S.-M., Sin, J.-C., Zeng, H., Mohamed, A.R., and Jaffari, Z.H., Boosting sunlight-powered photocatalytic fuel cell with S-scheme Bi2WO6/ZnO nanorod array composite photoanode, Inorg. Chem. Commun., 2022, vol. 143, p. 109826. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2022.109826
  29. Lam, S.-M., Sin, J.-C., Lin, H., Li, H., Lim, J.W., and Zeng, H., A Z-scheme WO3 loaded-hexagonal rod-like ZnO/Zn photocatalytic fuel cell for chemical energy recuperation from food wastewater treatment, Appl. Surf. Sci., 2020, vol. 514, p. 145945. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2020.145945
  30. Xie, S., Ouyang, K., and Shao, Y., A solar responsive photocatalytic fuel cell with a heterostructured ZnFe2O4/TiO2-NTs photoanode and an air-breathing cathode, Int. J. Hydrogen Energy, 2017, vol. 42, p. 29201. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.10.059

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2.

Скачать (437KB)
3.

Скачать (446KB)
4.

5.

Скачать (284KB)

© А.А. Ульянкина, А.Д. Царенко, Т.А. Молодцова, М.В. Горшенков, Н.В. Смирнова, 2023

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».