_ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА_
Том 8 Химия Вып. 3
УДК 541.138.3
DOI: 10.17072/2223-1838-2018-3-316-324
В.И. Кичигин, А.Б. Шеин
Пермский государственный национальный исследовательский университет, Пермь, Россия
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ КРИТЕРИИ МЕХАНИЗМА РЕАКЦИИ ВЫДЕЛЕНИЯ ВОДОРОДА В МЕТОДЕ ИМПЕДАНСНОЙ СПЕКТРОСКОПИИ
В качестве критериев механизма выделения водорода рассмотрены временная константа т = R2C2 и произведения сопротивлений R1 и R2 на плотность тока i (R1, R2 и С2 - параметры фа-радеевского импеданса). Установлено, что значения dlgTd^ (ц - перенапряжение) почти не зависят от природы лимитирующей стадии в маршруте разряд - электрохимическая десорбция, но существенно зависят от природы замедленной стадии в маршруте разряд - рекомбинация. Возможности различения механизмов выделения водорода в пределах маршрута разряд - электрохимическая десорбция при использовании iRi и iR2 выше, чем при анализе т. Кратко обсуждается влияние реакции абсорбции водорода на зависимости т iR1, iR2 от перенапряжения. Рассмотрены экспериментальные зависимости iR1 и iR2 от потенциала Co2Si- и CoSi2-электродов в 1М КОН.
Ключевые слова: реакция выделения водорода; механизм; критерий; электрохимический импеданс
V.I. Kichigin, A.B. Shein
Perm State University, Perm, Russia
ADDITIONAL CRITERIA FOR THE MECHANISM OF HYDROGEN EVOLUTION REACTION IN THE IMPEDANCE SPECTROSCOPY METHOD
The time constant т = R2C2 and the products of resistances Ri and R2 by current density i (Ri, R2, C2 are the Faradaic impedance parameters) are discussed as criteria for the hydrogen evolution mechanisms. The values of dlogT/dц (ц is the overvoltage) do not depend on the nature of rate-limiting step in discharge - electrochemical desorption route, but essentially depend on the nature of slow step in discharge - chemical combination route. Possibilities to distinguish between hydrogen evolution mechanisms within the limits of the discharge - electrochemical desorption route are more considerable when using iRi and iR2 than analyzing т. The influence of the hydrogen absorption reaction on the dependences of т iRi and iR2 on ц is briefly discussed. Experimental iRi and iR2 data for Co2Si and CoSi2 electrodes in i M KOH are considered.
Keywords: hydrogen evolution reaction; mechanism; criterion; electrochemical impedance
© Кичигин В.И., Шеин А.Б., 2018
Введение
В работе [1] предложены некоторые критерии механизмов реакции выделения водорода (РВВ), используемые в методе спектроскопии электрохимического импеданса. На основании измерений и анализа спектров импеданса при ряде перенапряжений г) и концентраций с ионов водорода (в кислых растворах) или ОН--ионов (в щелочных средах) определяются шесть производных - (д1gX7д))c и (д1gX7д1gc)) - от параметров Х (Х = Я\, Яг, С2) фарадеевско-го импеданса в эквивалентной электрической схеме А (рис. 1) для электрода, на котором протекает РВВ. Сравнение значений производных, полученных на основании опытных данных, с теоретически предсказываемыми для различных механизмов РВВ значениями позволяет делать обоснованные выводы о механизме изучаемого процесса, а также о типе изотермы адсорбции Надс. По величинам отрезков, отсекаемых прямолинейными участками lgX, ^-зависимостей на оси ординат при равновесном потенциале водородного электрода, можно определить значения констант скорости к,° стадий РВВ при ) = 0. Использование указанных критериев расширяет возможности метода, но не всегда дает однозначные выводы о механизме РВВ. В данной статье рассматриваются некоторые дополнительные критерии механизма РВВ, использующие им-педансные данные. В числе этих критериев обсуждаются: 1) временная константа г= Я2С2, связанная с релаксацией адсорбции атомарного водорода при наложении переменного потенциала; 2) произведения сопротивлений Я и Я2 на стационарную плотность тока 7.
А
Б
Рис. 1. Эквивалентные электрические схемы. Я -сопротивление раствора, Сл - емкость двойного электрического слоя
Результаты и обсуждение Временная константа RгCг Выражение коэффициента д^г/д) несложно получить из ранее приведенных [1] выражений для д^Яг/д) и д^Сг/д):
(.
д_{д^Я
д) )с \ д)
\ (
+
д)
Л
(1)
Однако непосредственное представление импедансных данных в координатах ^г - ) иногда может быть более информативным, чем отдельные графики в координатах 1^2 - ) и
1gC2 -
В таблице 1 даны выражения г для различных механизмов РВВ в случае, когда адсорбция атомарного водорода описывается уравнением изотермы Ленгмюра. В таблице: к\ и к2 -константы скорости стадий разряда и электрохимической десорбции, соответственно, в прямом направлении; к-1 и к-2 - константы скорости стадий разряда и электрохимической десорбции, соответственно, в обратном направлении; кз - константа скорости стадии рекомбинации в прямом направлении; а1 и а2 - коэффициенты переноса стадий разряда и
с
с
электрохимической десорбции соответственно; - заряд, необходимый для образования монослоя адсорбированного водорода. Для различных соотношений констант скорости стадий в рамках механизма разряд - электро-
Для маршрута разряд - рекомбинация д^т/дц принимает более специфичные значения. Поэтому производная д^т/дц может быть более полезной при различении маршрутов разряд - электрохимическая десорбция и разряд - рекомбинация.
химическая десорбция зависимость ^т от ц почти одинакова (табл. 1). Поскольку коэффициенты переноса а1 и а2 обычно близки к 0,5, производная д^т/дц для механизмов 1а -1е (табл. 1) близка к 8,5 (при 25оС).
1
На рис. 2 (кривая 1) приведена расчетная зависимость ^т от ц для механизма разряд -электрохимическая десорбция. Прямолинейный участок, экстраполирующийся в точку а, отвечает механизму 1а, а прямолинейный уча-
Таблица
Выражения для т и производной ölgi/öj
Механизм РВВ Выражение т = R2C2 (d\gT/örj)c
I. Разряд - электрохимическая десорбция
1а. Квазиравновесная стадия разряда, к-1 >> к, к2 qi 1 1 F 2(1 + ^2) k2 a2 F 2,3RT
1Ь. Необратимые стадии, лимитирующая стадия -электрохимическая десорбция, к >> к-1, к2 >> к-2, к >> к, а1 = а2 = а SLL F k1 a1 F 2,3RT
1с. Необратимые стадии, лимитирующая стадия -разряд, к >> к-1, к >> к-2, к << к, а1 = а2 = а q1 1 Fk2 a2F 2,3RT
И. Необратимые стадии, лимитирующая стадия -электрохимическая десорбция, а1 Ф а2 q (a +a 1 F 2a2 k1 a1 F 2,3RT
1е. Необратимые стадии, лимитирующая стадия -разряд, а1 Ф а2 q1 (a1 +a2) 1 F 2a1 k2 a2F 2,3RT
II. Разряд - рекомбинация
IIa. Квазиравновесная стадия разряда, ki >> к, к q1 k-1 F 4k1k3 F 2,3RT
IIb. Лимитирующая стадия - рекомбинация, область предельного тока q 1 F 2k3 0
IIc. Лимитирующая стадия - разряд q1 1 F ^8k1k3 a1 F 2 • 2,3RT
сток, экстраполирующийся в точку Ь, - механизму 1Ь. Наклоны обоих участков одинаковы.
В случае необратимых стадий в механизме разряд - электрохимическая десорбция величина г - обратно пропорциональна константе скорости более быстрой стадии, тогда как сопротивление переноса заряда Я обратно пропорционально константе скорости лимитирующей стадии [1].
Свойства временной константы г' = ЯаСа для тождественной эквивалентной схемы Б (рис. 1) ранее обсуждались в [2]. В случае механизма разряд - электрохимическая десорбция величина г' также обратно пропорциональна константе скорости к1 (при меньших перенапряжениях) или константе скорости к2 (при более высоких )). В целом, выражения для г' несколько проще выражений для г; в частности, для механизмов И и 1е (табл. 1) в г' не входят коэффициенты переноса а1 и а2.
Величина д^г/д) может быть критерием при обнаружении влияния реакции абсорбции водорода (РАВ) на кинетику РВВ [3]. Пример расчетного графика для процесса РВВ + РАВ (кинетический контроль РАВ) приведен на рис. 2 (кривая 2). В присутствии РАВ наблюдаются значительные отклонения от ^г,)-зависимости, полученной в отсутствие РАВ, в области невысоких перенапряжений. При достаточно больших значениях константы скорости ка реакции абсорбции водорода значения временной константы в области невысоких ) стремятся к постоянному значению г. По этому значению можно оценить величину ка = ql7(Fгl).
0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 - ) , В
Рис. 2. Расчетные зависимости ^гот Кинетические параметры: к1о = 10-8, к-1о = 10-4, к2о = 10-9, а1 = а2 = 0,5. Значения ка: 1,3 - 0, 2 - 10-7.
Значения кэ: 1,2 - 0; 3 - 10-6.
Все константы скорости - в моль/см2-с
Если параллельно с процессом разряд -электрохимическая десорбция происходит удаление адсорбированного водорода по реакции рекомбинации, то характер ^г,)-кривой (рис. 2, кривая 3) существенно отличается от ^г,)-кривой для случая, когда параллельно с процессом разряд - электрохимическая десорбция происходит удаление атомарного водорода путем абсорбции Надс в приповерхностном слое металла (рис. 2, кривая 2). Для двухмаршрутного механизма РВВ (разряд -электрохимическая десорбция и разряд - рекомбинация) при средних ) наблюдается уменьшение наклона д^г/д) (до 4,2 В-1 в пределе значительных к3), но участок постоянных значений г отсутствует; при меньших ) наклон д^г/д) снова существенно возрастает. Таким образом, почти постоянные значения г при небольших перенапряжениях могут служить признаком наличия стадии абсорбции водорода (при протекании РВВ через стадии разряда и электрохимической десорбции).
г
-2
-3
-4
-5
Отметим также, что временная константа т = Я2С2 входит в соотношение для расчета степени заполнения в поверхности электрода атомарным водородом [4].
Произведения Ш1 и iR2 В литературе описано использование произведения сопротивления переноса заряда Яг = (дЕ/дТ)в на стационарную силу тока I при исследовании механизма анодных процессов (активное растворение, пассивация) [5-7]. Отмечено, что определение величины Я/ позволяет обнаружить различные маршруты реакции в механизме суммарного процесса. Применение произведений Я1 (= Яг) и Л2 на плотность тока для анализа механизма РВВ ранее не рассматривалось.
Если адсорбция атомарного водорода на электроде описывается уравнением изотермы Ленгмюра, то для механизма разряд - электро-
химическая десорбция плотность тока можно записать в виде:
I / Р = к1(1 -в) - к_в+ к в - к-2(1-в) = 2(к'^2 ~ к-'к-2) (2)
к1 + к_1 + к2 + к_2
При квазиравновесной стадии разряда
О 7 о
I / Р
2кхк2 к
2к1 к2 _(1+аг)Е^/КТ
(3)
-1 '"-1 где к,0 - константы скорости при т = О.
Используя выражения для Я1 и Я2, приведенные в [1], в этом случае получаем:
2ЯТ к2 Ял = 2
Р к
2ЯТ к
Т~к0
2 е-(1+а2-«1)Рт/ЯТ
Я^ =
ЯТ
(4)
(5)
(1+«2) Р
Аналогично можно получить выражения произведений ¡Я1 и IЯ2 для других механизмов РВВ. Результаты представлены в табл. 2.
Таблица 2
Выражения для iRl и iR2. Маршрут разряд - электрохимическая десорбция,
изотерма адсорбции Ленгмюра
Механизм РВВ гЯх 1Я2
1а. Квазиравновесная стадия разряда, к.\ >> к\, Ы 2ЯТ к2 -(1+а2_«\)Рт/ЯТ Р к-1 ' ЯТ (1 + а2) Р
1Ь. Необратимые стадии, лимитирующая стадия -электрохимическая десорбция, к\ >> к.\, Ы >> к-2, к\ >> к2, а1 = «2 = а ЯТ аР ЯТ к-1 сРт/Я7 2а1 Р к20
1с. Необратимые стадии, лимитирующая стадия -разряд, к >> к-1, к2 >> к-2, к << к2, а1 = «2 = а ЯТ аР ЯТ к1 сРт/ЯТ 2а2Р к0
И. Необратимые стадии, лимитирующая стадия -электрохимическая десорбция, а1 Ф а2 2ЯТ (а1 + а2) Р ЯТ а1 - а2 Р а2(а1 +а2)
1е. Необратимые стадии, лимитирующая стадия -разряд, а1 Ф а2 2ЯТ (а1 + а2) Р ЯТ а2 - а1 Р а1 (а1 + а2)
Как следует из табл. 2, для механизма 1а произведение /Я1 зависит от перенапряжения, причем 7Я1 увеличивается при повышении катодной поляризации; произведение /Я2 для данного механизма не зависит от Для механизмов 1Ь и 1с, напротив, произведение /Я1 не зависит от а величина |/Я2| уменьшается при повышении катодной поляризации. Для механизмов Ы и 1е оба произведения /Я1 и /Я2 являются независимыми от потенциала электрода. Таким образом, анализ зависимостей 7Я1 и /Я2 от перенапряжения (или от потенциала электрода Е) дает определенные возможности различения механизмов РВВ в пределах маршрута разряд - электрохимическая десорбция.
Анализ зависимостей 7Я1 и /Я2 от Е был применен к импедансным данным, полученным ранее для РВВ на силицидах кобальта в щелочном растворе [8]. На рис. 3 приведены результаты для CoSi2-электрода в 1 М КОН (значения потенциала - относительно н.в.э.). Для CoSi2 данные были получены лишь в сравнительно узком интервале потенциалов электрода. В работе [8] для этого электрода на основании критериев, предложенных в [1], были сделаны следующие выводы: адсорбция Надс описывается уравнением изотермы Ленгмюра, РВВ протекает по механизму разряд - электрохимическая десорбция при необратимых обеих стадиях, электрохимическая десорбция является скорость-определяющей стадией, а1 = а2 = а. Если эти выводы верны, должна наблюдаться независимость ¡Я\ от Е, а произведение /Я2 должно уменьшаться при понижении Е, причем Л^/Я^/ЛЕ = F7(2,3RT) = 16,9 В-1 при 25оС (табл. 2). Экспериментальное
значение d1g(iR2)7dE = 16,5 В-1 (рис. 3) хорошо согласуется с теоретическим значением. Величина 7Я1 не является строго постоянной, но наклон d1g(iRl)7dE очень мал (рис. 3). Таким образом, выводы из зависимостей /Я1 и /Я2 от Е для CoSi2-электрода удовлетворительно согласуются с выводами, сделанными в [8].
Рис. 3. Зависимости ^(/ЯО (1) и ^(/Я2) (2) от потенциала CoSi2-электрода в 1 М КОН.
Произведения 7Я - в вольтах
На рис. 4 приведены результаты для Co2Si-электрода в 1 М КОН. В работе [8] для этого электрода на основании критериев, предложенных в [1], были сделаны следующие выводы: адсорбция Надс описывается уравнением изотермы Ленгмюра, РВВ протекает по механизму разряд - электрохимическая десорбция, электрохимическая десорбция является лимитирующей стадией, при Е < -1,15 В обе стадии необратимы, а1 Ф а2. На рис. 4 при Е < -1,15 В (область необратимости стадий) произведения 7Я1 и /Я2 почти не зависят от Е, что согласуется с механизмом Ы, предполагаемым в [8] при этих Е. При более высоких потенциалах электрода, по-видимому, начинается постепенный переход к квазиравновесной стадии разряда (механизм 1а).
^ (iR)
чая, когда параллельно с электрохимической десорбцией протекает реакция рекомбинации.
А-д_д 2
и.9 1.0 1.1 1.2 £ в 1.3
Рис. 4. Зависимости ^(/ЯО (1) и ^(/Я2) (2) от потенциала Co2Si-электрода в 1 М КОН.
Произведения 7Я - в вольтах
Численные расчеты зависимостей 7Я1 и /Я2 от перенапряжения для механизма разряд -электрохимическая десорбция показали (рис. 5), что в переходной области (от механизма Ы к механизму 1а) при заметно различающихся а1 и а2 произведение /Я2 проходит через максимум, прежде чем принять значение ЯТ/(1 + а^, указанное в табл. 2. Наличие максимума на ^(/Я2), )-кривой согласуется с экспериментальными результатами (рис. 4). Если в отводе Надс с поверхности электрода не участвуют иные стадии, кроме электрохимической десорбции, то произведения 7Я1 и /Я2 в области более высоких |) выходят на постоянные значения примерно при одном и том же перенапряжении (рис. 5, кривые 1 и 2). Если же в удалении Надс параллельно с электрохимической десорбцией участвует, например, реакция абсорбции водорода, то произведение /Я2 выходит на постоянное значение при существенно более низком потенциале по сравнению с произведением 7Я1 (рис. 5, кривые 1' и 2'). Аналогичный результат был получен для слу-
Рис. 5. Расчетные зависимости ^(/ЯО (1, 1') и ^(/Я2) (2, 2') от перенапряжения для механизма разряд -
электрохимическая десорбция в отсутствие РАВ и при наличии РАВ. Кинетические параметры:
к1о = 10-9, к-1о = 10-6, к2о = 10-10, а1 = 0,6, а2 = 0,5. Значения ка: 1,2 - 0, 1',2' - 10-7. Все константы скорости - в моль/см2-с; /Я - в вольтах. Точкой отмечено значение ^[ЯТ/(1 + а2)F]
Экспериментальные величины 7Я1 и 7Я2 выходят на постоянные значения при повышении катодной поляризации примерно при одинаковом Е (рис. 4), то есть можно было бы предположить, что вклад реакций, отличных от электрохимической десорбции, в удаление Надс пренебрежимо мал. С другой стороны, следует отметить, что экспериментальный наклон dlg(iR1)7dE в области невысоких поляризаций значительно меньше теоретического наклона для механизма 1а. Возможно, на Co2Si-электроде реализуется механизм разряд -электрохимическая десорбция, но при наличии некоторых дополнительных факторов (не пренебрежимо малое влияние РАВ; влияние рых-
1.2
1.6
2.0
2.4
лого оксидного слоя SiOx, который может существовать в катодной области, и др.).
Таким образом, анализ зависимостей iR1 и iR2 от потенциала Co2Si-электрода в целом согласуется с выводами о механизме РВВ, сделанными в [8], но при этом обнаруживаются некоторые особенности, не отмеченные в [8].
Заключение
Значения dlgr/d^ почти одинаковы для различных соотношений констант скорости стадий в рамках маршрута разряд - электрохимическая десорбция. Для маршрута разряд - рекомбинация dlgr/d^ имеет существенно отличающиеся значения; кроме того, для маршрута разряд - рекомбинация dlgr/d^ зависит от природы лимитирующей стадии.
Анализ зависимостей iRi и iR2 от перенапряжения (или от потенциала электрода Е) позволяет с большей определенностью различать механизмы РВВ в пределах маршрута разряд - электрохимическая десорбция по сравнению с анализом временной константы т = R2C2.
Библиографический список
1. Kichigin V.I., Shein A.B. Diagnostic criteria for hydrogen evolution mechanisms in electrochemical impedance spectroscopy // Electro-chimica Acta. 2014. Vol. 138. P. 325-333.
2. Новосельский И.М., Гудина Н.Н. Расчет механизма и кинетики выделения водорода по данным импедансных измерений // Электрохимия. 1969. Т. 5, № 6. С. 670-676.
3. Кичигин В.И., Шеин А.Б., Шамсутдинов А.Ш. Кинетика реакции выделения водорода на моносилициде никеля в кислом и щелочном растворах // Конденсированные среды и межфазные границы. 2017. Т. 19, № 2. С.222-231.
4. Кичигин В.И. Применение импедансного метода для определения степени заполнения поверхности катодов адсорбированным водородом // Электрохимия. 1987. Т.23, № 12. С. 1689-1692.
5. Caprani A., Epelboin I., Morel Ph. Valence de dissolution du titane en milieu sulfurique fluoré // Journal of Electroanalytical Chemistry. 1973. Vol. 43, № 1. Р. А2-А9.
6. Caprani A., Frayret J.P. Behaviour of titanium in concentrated hydrochloric acid: dissolution-passivation mechanism // Electrochimica Acta. 1979. Vol. 24, № 8. Р. 835-842.
7. Frayret J.P., Caprani A. Anodic behaviour of titanium in acidic chloride containing media (HCl-NaCl). Influence of the constituents of the medium. - III. Analysis of the electrochemical impedance. General dissolution-passivation mechanism // Electrochimica Acta. 1982. Vol. 27, № 3. Р. 391-399.
8. Kichigin V.I., Shein A.B. Kinetics and mechanism of hydrogen evolution reaction on cobalt silicides in alkaline solutions // Electrochimica Acta. 2015. Vol. 164. P. 260-266.
References
1. Kichigin, V.I., and Shein, A.B. (2014), "Diagnostic criteria for hydrogen evolution mechanisms in electrochemical impedance spectros-copy", Electrochimica Acta. Vol. 138, pp. 325-333.
2. Novoselsky, I.M., and Gudina, N.N. (1969), "Estimation of the mechanism and kinetics of hydrogen evolution from the impedance measurements", Elektrokhimiya. Vol. 5, no. 6. pp. 670-676. (In Russ.).
3. Kichigin, V.I., Shein, A.B., and Shamsutdinov, A.Sh. (2017), "The kinetics of hydrogen evolution reaction on nickel silicide in acidic and alkaline solutions", Condensed Matter and Interfaces. Vol. 19, no. 2. pp. 222-231. (In Russ.).
4. Kichigin, V.I. (1987), "Use of the impedance method for determining the coverage of cathode surfaces with adsorbed hydrogen", Elektrokhimiya. Vol. 23, no. 12. pp. 1689-1692. (In Russ.).
5. Caprani, A., Epelboin, I. and Morel, Ph. (1973), "Valence de dissolution du titane en
milieu sulfurique fluoré", Journal of Electro-analytical Chemistry. Vol. 43, no. 1. pp. A2-A9.
6. Caprani, A. and Frayret, J.P. (1979), "Behaviour of titanium in concentrated hydrochloric acid: dissolution-passivation mechanism", Electrochimica Acta. Vol. 24, no. 8. pp. 835— 842.
7. Frayret, J.P. and Caprani, A. (1982), "Anodic behaviour of titanium in acidic chloride containing media (HCl-NaCl). Influence of the constituents of the medium. - III. Analysis of
the electrochemical impedance. General dissolution-passivation mechanism", Electrochimica Acta. Vol. 27, no. 3. pp. 391-399.
8. Kichigin, V.I. and Shein, A.B. (2015), "Kinetics and mechanism of hydrogen evolution reaction on cobalt silicides in alkaline solutions" Electrochimica Acta. Vol. 164, pp. 260-266.
Об авторах
Кичигин Владимир Иванович, кандидат химических наук, старший научный сотрудник кафедры физической химии ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15. [email protected]
Шеин Анатолий Борисович
доктор химических наук, профессор, зав. кафедрой физической химии
ФГБОУ ВО «Пермский государственный национальный исследовательский университет» 614990, г. Пермь, ул. Букирева, 15. [email protected]
About the authors
Kichigin Vladimir Ivanovich,
candidate of chemistry, senior researcher of the
Department of physical chemistry,
Perm State University. 15, Bukireva st.,
Perm, Russia, 614990.
Shein Anatoly Borisovich
doctor of chemistry, professor, Head of the
Department of physical chemistry,
Perm State University. 15, Bukireva st.,
Perm, Russia, 614990.
Информация для цитирования
Кичигин В.И., Шеин А.Б. Дополнительные критерии механизма реакции выделения водорода в методе импедансной спектроскопии // Вестник Пермского университета. Серия «Химия». 2018. Т. 8, вып. 3. С. 316-324. DOI: 10.17072/2223-1838-2018-3-316-324.
Kichigin V.I. Shein A.B. Dopolnitelnye kriterii mekhanizma reaktsii vydeleniia vodo-roda v metode impedansnoi spektroskopii [Additional criteria for the mechanism of hydrogen evolution reaction in the impedance spectroscopy method] // Vestnik Permskogo universiteta. Seriya «Khimiya» = Bulletin of Perm University. Chemistry. 2018. Vol. 8. Issue 3. P. 316-324 (in Russ.). DOI: 10.17072/2223-1838-2018-3-316324.