Cd|KOH|NiOOH

Zn|NH4CI|MnO2

Li|LiClO4|MnO2

Pb|H2SO4|PbO2

H2|KOH|O2

Электрохимическое окисление борогидрид-иона на никелевом электроде: исследование методом ИК-спектроскопии

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).

Проведено исследование анодного окисления борогидрид-иона BH4- на каталитически активном никелевом электроде методами потенциостатического включения, гальваностатического включения, циклической вольтамперометрии и ИК-спектроскопии с Фурье-преобразованием. Установлен состав ряда интермедиатов процесса электроокисления BH4--иона и механизм разложения борогидрида, схема которого включает следующие основные стадии: BH4- → BH3(OH)- → BH2(OH)2- → BH(OH)3- → B(OH)4-. Установлены закономерности кинетики электроокисления BH4--иона на Ni-электроде. Коэффициент диффузии BH4--иона в водном растворе при температуре 25°C, измеренный электрохимическими методами, составил от 5.3·10-5 до 1.6·10-5, среднее значение 2·10-5 см2/с.

Литература

1. Finkelstein D. A., Mota N. D., Cohen J. I., Abruna H. D. Rotating disk electrode (RDE) investigation of BH4- and BH3OH- electro-oxidation at Pt and Au: implications for BH4- fuel cell // J. Phys. Chem. C. 2009. Vol. 113. P. 19700–19712.
2. Iotov Ph. I., Kalcheva S. V., Bond A. M. Kinetic and mechanistic evaluation of tetrahydroborate ion electro-oxidation at polycrystalline gold // Electrochim. Acta. 2009. Vol. 54. P. 7236–7241.
3. Amendola St. A., Onnerud P., Kelly M. T., Petillo Ph. J., Sharp-Goldman St. L., Binder M. A novel high power density borohydride-air cell // J. Power Sources. 1999. Vol. 84. P. 130–133.
4. Churikov A. V., Gamayunova I. M., Zapsis K. V., Churikov M. A., Ivanishchev A. V. Influence of temperature and alkalinity on the hydrolysis rate of borohydride ions in aqueous solution // Intern. J. Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37, iss. 1. P. 335–344.
5. Чуриков А. В., Иванищев А. В., Запсис К. В., Сычева В. О. Топливные элементы, использующие борогидридное топливо // Электрохимическая энергетика. 2009. Т. 9, № 3. С. 117–127.
6. Churikov A. V., Zapsis K. V., Ivanishchev A. V., Sychova V. O. Temperature-induced transformation of the phase diagrams of ternary systems NaBH4 + NaOH + H2O and KBH4 + KOH + H2O // J. Chem. & Eng. Data. 2011. Vol. 56, N. 5. P. 2543–2552.
7. Churikov A. V., Zapsis K. V., Khramkov V. V., Churikov M. A., Gamayunova I. M. Temperature-induced transformation of the phase diagrams of ternary systems NaBO2 + NaOH + H2O and KBO2 + KOH + H2O // J. Chem. & Eng. Data. 2011. Vol. 56, № 3. P. 383–389.
8. Churikov A. V., Zapsis K. V., Khramkov V. V., Churikov M. A., Smotrov M. P., Kazarinov I. A. Phase diagrams of ternary systems NaBH4 + NaOH + H2O, KBH4 + KOH + H2O, NaBO2 + NaOH + H2O, and KBO2 + KOH + H2O at –10 ºC // J. Chem. & Eng. Data. 2011. Vol. 56, № 1. P. 9–13.
9. Чуриков А. В., Запсис К. В., Храмков В. В., Чуриков М. А., Гамаюнова И. М. Влияние температуры на растворимость трёхкомпонентных систем NaBO2–NaOH–H2O и KBO2–KOH–H2O // Электрохимическая энергетика. 2011. Т. 11, № 1. С. 3–12.
10. Чуриков А. В., Запсис К. В., Храмков В. В., Смотров М. П., Чуриков М. А., Казаринов И. А. Диаграммы растворимости тройных систем NaBH4–NaOH–H2O, KBH4–KOH–H2O, NaBO2–NaOH–H2O и KBO2–KOH–H2O при –10°С // Электрохимическая энергетика. 2010. Т. 10, № 4. С. 170–176.
11. Santos D. M. F., Sequeira C. A. C. Sodium borohydride as a fuel for the future // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2011. Vol. 15. P. 3980–4001.
12. Liu B. H., Li Z. P. Current status and progress of direct borohydride fuel cell technology development // J. Power Sources. 2009. Vol. 187. P. 291–297.
13. Ma J., Choudhury N. A., Sahai Y. A comprehensive review of direct borohydride fuel cells // Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2010. Vol. 14. P. 183–199.
14. Ponce de Leon C., Walsh F. C., Pletcher D., Browning D. J., Lakeman J. B. Direct borohydride fuel cells // J. Power Sources. 2006. Vol. 155. P. 172–181.
15. Merino-Jimenez I., Ponce de Leon C., Shab A. A., Walsh F. C. Developments in direct borohydride fuel cells and remaining challenges // J. Power Sources. 2012. Vol. 219. P. 339–357.
16. Dong H., Feng R., Ai X., Cao Y., Yang H., Cha Ch. Electrooxidation mechanisms and discharge characteristics of borohydride on different catalytic metal surfaces // J. Phys. Chem. B. 2005. Vol. 109. P. 10896–10901.
17. Concha B. M., Chatenet M., Coutanceau C., Hahn F. In situ infrared (FTIR) study of the borohydride oxidation reaction // Electrochem. Commun. 2009. Vol. 11. P. 223–226.
18. Lim F. H. B., Pasqualeti A. M., Concha M. B. M., Chatenet M., Ticianelli E. A. Borohydride electrooxidation on Au and Pt electrodes // Electrochimica Acta. 2012. Vol. 84. P. 202–212.
19. Concha B. M., Chatenet M. Direct oxidation of sodium borohydride on Pt, Ag and alloyed Pt–Ag electrodes in basic media. Part I: Bulk electrodes // Electrochimica Acta. 2009. Vol. 54. P. 6119–6129.
20. Concha B. M., Chatenet M., Maillard F., Ticianelli E. A., Lima F. H. B., Lima R. B. In situ infrared (FTIR) study of the mechanism of the borohydride oxidation reaction // Phys. Chem. Chem. Phys. 2010. Vol. 12. P. 11507–11516.
21. Concha B. M., Chatenet M., Ticianelli E. A., Lima F. H. B. In Situ Infrared (FTIR) study of the mechanism of the borohydride oxidation reaction on smooth Pt electrode // J. Phys. Chem. C. 2011. Vol. 115 (25). P. 12439–12447.
22. Jamard R., Salomon J., Martinent-Beaumont A., Coutanceau C. Life time test in direct borohydride fuel cell system // J. Power Sources. 2009. Vol. 193. P. 779–787.
23. Martins J. I., Nunes M. C., Koch R., Martins L., Bazzaoui M. Electrochemical oxidation of borohydride on platinum electrodes: The influence of thiourea in direct fuel cells // Electrochim. Acta. 2007. Vol. 52. P. 6443–6449.
24. Atwan M. H., Macdonald C. L. B., Northwood D. O., Gyenge E. L. Colloidal Au and Au-alloy catalysts for direct borohydride fuel cells: Electrocatalysis and fuel cell performance // J. Power Sources. 2006. Vol. 158. P. 36–44.
25. Liu B. H., Li Z. P., Suda S. Electrocatalysts for the anodic oxidation of borohydrides // Electrochim. Acta. 2004. Vol. 49. P. 3097–3105.
26. Wang K., Lu J., Zhuang L. A Current-Decomposition study of the borohydride oxidation reaction at Ni electrodes // J. Phys. Chem. C. 2007. Vol. 111. P. 7456–7462.
27. Feng R. X., Dong H., Cao Y. L., Ai X. P., Yang H. X. Agni-catalyzed anode for direct borohydride fuel cells // Intern. J. Hydrogen Energy. 2007. Vol. 32. P. 4544–4549.
28. Feng R. X., Dong H., Wang Y. D., Ai X. P., Cao Y. L., Yang H. X. A simple and high efficient direct borohydride fuel cell with MnO2-catalyzed cathode // Electrochem. Commun. 2005. Vol. 7. P. 449–452.
29. Hong J., Fang B., Wang Ch., Currie K. Intrinsic borohydride fuel cell/battery hybrid power sources // J. Power Sources. 2006. Vol. 161. P. 753–760.
30. Ozerova A. M., Simagina V. I., Komova O. V., Netskina O. V., Odegova G. V., Bulavchenko O. A., Rudina N. A. Cobalt borate catalysts for hydrogen production via hydrolysis of sodium borohydride // J. Alloys and Compounds. 2012. Vol. 513. P. 266–272.
31. Nakanishi K. Infrared absorption spectroscopy. Practical. San Francisco: Holden-Day Inc., 1962.
32. Nakamoto K. Infrared and Raman spectra of inorganic and coordination compounds. Hoboken, New Jersey: A John Wiley & Sons, Inc., 1988.
33. Казицына Л. А., Куплетская Н. Б. Применение УФ-, ИК-, ЯМР- и масс-спектросокопии в органической химии. М.: Изд-во Моск. ун-та, 1979.
34. Chou Ch.-Ch., Lee D.-J., Chen B.-H. Hydrogen production from hydrolysis of ammonia borane with limited water supply // Intern. J. Hydrogen Energy. 2012. Vol. 37. P. 15681–15690.
35. Mitchell J., Smith D. M. Aquametry. A Treatise on Methods for the Determination of Water. Pt. 1, 2nd ed. New York: Wiley, 1977.
36. Eisenberg D., Kauzmann W. The Structure and Properties of Water. Oxford: Clarendon Press, 1973.
37. Мальцева Н. Н., Хаин В. С. Борогидрид натрия. Свойства и применение. М.: Наука, 1985.
38. Concha M. B. M., Chateneta M., Limab F. H. B., Ticianelli E. A. In situ Fourier transform infrared spectroscopy and on-line differential electrochemical mass spectrometry study of the NH3BH3 oxidation reaction on gold electrodes // Electrochim. Acta. 2013. Vol. 89. P. 607–615.
39. D’Ulivo1 A., Dědina J., Mester Z., Sturgeon R. E., Wang Q., Welz B. Mechanisms of chemical generation of volatile hydrides for trace element determination // Pure Appl. Chem. 2011. Vol. 83. P. 1283–1340.
40. Smith J., Seshadri K. S., White D. Infrared spectra of matrix isolated BH3–NH3, BD3–ND3, and BH3–ND3 // J. Molecular Spectroscopy. 1973. Vol. 45. P. 327–337.
41. Santos D. M. F., Sequeira C. A. C. Cyclic voltammetry investigation of borohydride oxidation at a gold electrode // Electrochim. Acta. 2010. Vol. 55. P. 6775–6781.
42. Krishnan P., Yang T-H., Advani S. G., Prasad A. K. Rotating ring-disc electrode (RRDE) investigation of borohydride electro-oxidation // J. Power Sources. 2008. Vol. 182. P. 106–111.
43. Chatenet M., Molina-Concha M. B., Diard J.-P. First insights into the borohydride oxidation reaction mechanism on gold by electrochemical impedance spectroscopy // Electrochim. Acta. 2009. Vol. 54. P. 1687–1693.
44. Чуриков А. В., Иванищев А. В., Гамаюнова И. М., Ушаков А. В., Чуриков М. А. Методика расчета плотности, вязкости и электропроводности растворов Na(K)BH4–Na(K)BO2–Na(K)OH–H2O, используемых в водородной энергетике // Электрохимическая энергетика. 2010. Т. 10, № 3. С. 109–115.
45. Chatenet M., Molina-Concha M. B., El-Kissi N., Parrour G., Diard J.-P. Direct rotating ring-disk measurement of the sodium borohydride diffusion coefficient in sodium hydroxide solutions // Electrochim. Acta. 2009. Vol. 54. P. 4426–4435.
46. Colominas S., McLafferty J., Macdonald D. D. Electrochemical studies of sodium borohydride in alkaline aqueous solutions using a gold electrode // Electrochim. Acta. 2009. Vol. 54. P. 3575–3579.