In situ electrochemical methods for production and porosity characterization of composite Ni-P+TiO2 catalyst coatings

• Autorzy: Łosiewicz B.

Warianty tytułu

PL

Metody elektrochemiczne in situ do otrzymywania i charakteryzowania porowatości katalitycznych warstw kompozytowych Ni-P+TiO2

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The present work deals with the development of new electrochemical ways to improve the electrode material activity towards hydrogen evolution reaction (HER). An in situ composite electrodeposition technique has been proposed to prepare the porous Ni-P+TiO2 coatings. Production of this catalyst material was carried out by simultaneous codeposition of amorphous nickel with titanium dioxide (anatase) powder on a copper substrate from the bath in which TiO2 particles were held in suspension by magnetic stirring. The electrodeposition of the Ni-P+TiO2 coatings was carried out under galvanostatic conditions at room temperature from the plating bath containing nickel sulfate, ammonium chloride, sodium hypophosphite, sodium acetate, boric acid, and an addition of TiO2 powder. The chemical and physical characteristics of the obtained deposits have been discussed. Surface morphology was carried out using a scanning electron microscopy (SEM). Structural investigations were conducted by X-ray diffraction method (XRD). The chemical composition of the coatings was determined by means of atomic absorption spectroscopy (AAS). The in situ method of electrochemical impedance spectroscopy (EIS) was applied to the porosity studies of the coatings. For comparison, the Ni-P and Ni coatings were also obtained and investigated in the same manner. The SEM observations of the surface morphology revealed that the composite Ni-P+TiO2 coatings exhibit the presence of TiO2 particles (diameter of particle below 40 μm) uniformly embedded into the amorphous nickel matrix. The structural investigations of the deposits exhibit the composite structure with an amorphous nickel matrix into which the solid crystalline TiO2 particles are embedded. The optimum production conditions of the porous coatings containing 30.3 wt.% of TiO2 microparticles, were proposed. Such electrochemical codeposition method may be a good alternative in the field of composite large-surface electrodes for HER. The pore geometry was determined by impedance modeling and to explain the impedance behavior of the electrode materials, three electrical equivalent circuits containing: (i) the constant-phase element (CPE), (ii) two-CPE elements and (iii) the finite length porous model, were compared and verified. The electrochemical impedance behavior of the composite Ni-P+TiO2 electrode may be well described using the two-CPE model related to the presence of pear-like shape pores with the diameter of 0.37 [omega] cm2 on the surface, and a simple CPE model for the Ni-P and Ni electrodes containing the flat pores. It has been found that in situ electrochemical methods can be successfully applied for both production and characterization of the large-surface composite coatings with a high performance towards HER.

PL

Warstwy kompozytowe Ni-P+TiO2 otrzymywano techniką in situ współosadzania amorficznego niklu i proszku TiO2 na podłożu miedzi z kąpieli, w której cząstki tlenku tytanu (< 40 μm) utrzymywano w zawiesinie, stosując mieszanie magnetyczne. Elektroosadzanie prowadzono galwanostatycznie w temperaturze pokojowej. W celach porównawczych otrzymano w tych samych warunkach warstwy Ni-P i Ni. W pracy zanalizowano charakterystykę fizykochemiczną osadzanych warstw. Obserwacje morfologii powierzchni warstw wykazują, że cząstki TiO2 są jednorodnie rozmieszczone w osnowie Ni-P. Badania strukturalne potwierdzają strukturę kompozytu o osnowie amorficznego niklu, w której zabudowane są krystaliczne cząstki stałe TiO2 w ilości 30,3% wag. Charakterystyka porowatości powierzchni warstw zrealizowana została techniką in situ, stosując elektrochemiczną spektroskopię impedancji. Badania impedancyjne ujawniły obecność porów w kształcie gruszki o średnicy 0,37 [omega] cm2 na powierzchni warstw Ni-P+TiO2 oraz płytkich porów w przypadku warstw Ni-P i Ni. Stwierdzono, że modyfikacja amorficznej osnowy Ni-P poprzez zabudowanie do niej krystalicznego składnika kompozytu w postaci proszku TiO2 w zaproponowanych optymalnych warunkach prowadzi do otrzymania materiału kompozytowego o silnie rozwiniętej powierzchni, który może stanowić obiecującą alternatywę w obszarze materiałów elektrodowych dla reakcji wydzielania wodoru.

Słowa kluczowe

EN

composite coatings; impedance; electrodeposition; porosity

PL

warstwa kompozytowa; impedancja; elektroosadzanie; porowatość

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2010
• Tom: R. 10, nr 1
• Strony: 52--58
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Łosiewicz B.

• University of Silesia, Institute of Materials Science, 12 Bankowa, 40-007 Katowice, Poland,

Bibliografia

• [1] Lasia A., Modeling of impedance of porous electrodes, [in:] Modern Aspects of Electrochemistry, Vol. 43, ed. M. Schlesinger, Springer, 2009.
• [2] Lasia A., Hydrogen evolution reaction, [in] Handbook of Fuel Cells - Fundamentals, Technology and Applications, eds. W. Vielstich, H.A. Gasteiger, A. Lamm, Vol. 2: Electrocatalysis, John Wiley & Sons, Ltd., Chichester 2003, 416-440.
• [3] Budniok A., Łągiewka E., Problemy elektrochemii w inżynierii materiałowej, Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2009, 112-116, 147-155.
• [4] Łosiewicz B., Napłoszek-Bilnik I., Budniok A., Nanocomposite electrocoatings of Ni containing a powder of NiAl intermetallic phase as precursor electrode for the hydrogen evolution reaction on Raney-Ni cathodes, Proceedings International Hydrogen Energy Congress and Exhibition IHEC 2005, 1-12.
• [5] Łosiewicz B., Budniok A., Rówiński E., Łągiewka E., Lasia A., The structure, morphology and electrochemical impedance study of the hydrogen evolution reaction on the modified nickel electrodes, Int. J. Hyd. Energy 2004, 29, 145-157.
• [6] Hitz C., Lasia A., Experimental study and modeling of impedance of the her on porous Ni electrodes, J. Electroanal. Chem. 2001, 500, 213-222.
• [7] Bisang J.M., Jüttner K., Kreysa G., Potential and current distribution in porous electrodes under charge-transfer kinetic control, Electrochim. Acta 1994, 39, 1297-1302.
• [8] Lasia A, Electrochemical impedance spectroscopy and its applications, [in]: Modern Aspects of Electrochemistry, Vol. 32, eds. B.E. Conway, J. Bockris, R.E. White, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York 1999.
• [9] Lasia A., Applications of the electrochemical impedance spectroscopy to hydrogen adsorption, evolution and absorption into metals, [in]: Modern Aspects of Electrochemistry, Vol. 35, eds. B.E. Conway, R.E. White, Kluwer/Plenum, New York 2002.
• [10] Keiser H., Beccu K.D., Gutjahr M.A., Abschätzung der porenstruktur poröser elektroden aus impedanzmessungen, Electrochim. Acta 1976, 21, 539-543.