Published April 29, 2024
| Version v1
Publication
Open
Green synthesis and characterization of binary, ternary, and quaternary Ti/MMO anodes for chlorine and oxygen evolution reactions
- 1. October High Institute For Enginnering and Technology
- 2. Cairo University
- 3. Central Metallurgical Research and Development Institute
Description
Abstract Dimensionally stable anodes of titanium (Ti) metal coated with mixed metal oxides (MMO) are widely used in several electrochemical applications, especially chloro-alkali electrolysis. Herein, we deposited MMO coatings on Ti substrates in different compositions, namely, (60%RuO 2 -40%TiO 2 ), (60%RuO 2 -30%TiO 2 -10%IrO 2 ), and (60%RuO 2 -20%TiO 2 -15%IrO 2 -5%Ta 2 O 5 ), where RuO 2 has the same percentage ratio in all coatings. The aim was to use these electrodes for chlorine evolution reaction (CER) and oxygen evolution reaction (OER) applications. Electrochemical characterization of the coated samples was performed to identify the best Ti/MMO electrodes with the highest efficiencies among the various prepared combinations. The role of IrO 2 and Ta 2 O 5 in enhancing corrosion resistance and electrochemical efficacy was up for debate. Scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectroscopy (EDS), X-ray diffraction (XRD), and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) analyses were exploited to determine the surface morphology, chemical composition, crystallinity, surface composition, and chemical states of the acquired coatings. The differential scanning calorimetry (DSC) method was used to evaluate the apparent activation energy ( $${{\text{E}}}_{{\text{a}}}$$ E a ) of the deposited MMO. Additionally, the electrochemical performance of our designed coatings was scrutinized by cyclic voltammetry (CV), electrochemical impedance spectroscopy (EIS), a current on–off test, a CV stability test (ST), and an accelerated stability test (AST). Furthermore, linear sweep voltammetry (LSV) was incorporated to assess the catalytic efficacy of the prepared anodes toward the CER in a brine solution of pH 2 and the OER in 1 M H 2 SO 4 . It became clear that the CER and OER incurred almost the same potential value (1.1 V) on both Ti/RuO 2 -TiO 2 and Ti/RuO 2 -TiO 2 -IrO 2 electrodes. However, on the Ti/RuO 2 -TiO 2 -IrO 2 -Ta 2 O 5 anode, there was a 0.2 V potential difference between the CER occurring at 1.1 V and the OER happening at 1.3 V.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
مجردة تستخدم الأنودات المستقرة الأبعاد من معدن التيتانيوم (Ti) المغلفة بأكاسيد المعادن المختلطة (MMO) على نطاق واسع في العديد من التطبيقات الكهروكيميائية، وخاصة التحليل الكهربائي بالكلور والقلويات. هنا، قمنا بإيداع طلاءات MMO على ركائز Ti في تركيبات مختلفة، وهي (60 ٪RuO 2 -40 ٪TiO 2 )، (60 ٪RuO 2 -30 ٪TiO 2 -10 ٪IRO 2 )، و (60 ٪RuO 2 -20 ٪TiO 2 -15 ٪ IRO 2 -5 ٪Ta 2 O 5 )، حيث يكون لـ RuO 2 نفس النسبة المئوية في جميع الطلاءات. كان الهدف هو استخدام هذه الأقطاب الكهربائية لتطبيقات تفاعل تطور الكلور (CER) وتفاعل تطور الأكسجين (OER). تم إجراء التوصيف الكهروكيميائي للعينات المطلية لتحديد أفضل أقطاب Ti/MMO بأعلى الكفاءات بين المجموعات المحضرة المختلفة. كان دور IRO 2 و Ta 2 O 5 في تعزيز مقاومة التآكل والفعالية الكهروكيميائية مطروحًا للنقاش. تم استغلال تحليلات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)، والمطيافية المشتتة للطاقة (EDS)، وانعراج الأشعة السينية (XRD)، والمطيافية الكهروضوئية للأشعة السينية (XPS) لتحديد التشكل السطحي، والتركيب الكيميائي، والتبلور، والتركيب السطحي، والحالات الكيميائية للطلاءات المكتسبة. تم استخدام طريقة المسح التفاضلي لقياس السعرات الحرارية (DSC) لتقييم طاقة التنشيط الظاهرية (${{\ text{E }}}_{{\ text{a }}}$$ E a ) من MMO المودعة. بالإضافة إلى ذلك، تم فحص الأداء الكهروكيميائي للطلاءات المصممة لدينا من خلال قياس الفولتية الدوري (CV)، ومطياف المعاوقة الكهروكيميائية (EIS)، واختبار تشغيل وإيقاف التيار، واختبار ثبات CV (ST)، واختبار الثبات المتسارع (AST). علاوة على ذلك، تم دمج قياس الجهد الكاسح الخطي (LSV) لتقييم الفعالية التحفيزية للأنودات المحضرة تجاه CER في محلول ملحي من الرقم الهيدروجيني 2 و OER في 1 M H 2 SO 4 . أصبح من الواضح أن CER و OER تكبدتا نفس القيمة المحتملة تقريبًا (1.1 فولت) على كل من أقطاب Ti/RuO 2 - TiO 2 و Ti/RuO 2 - TiO 2 - IrO 2. ومع ذلك، على أنود Ti/RuO 2 - TiO 2 - IrO 2 - Ta 2 O 5، كان هناك فرق جهد 0.2 فولت بين CER يحدث عند 1.1 فولت و OER يحدث عند 1.3 فولت.Translated Description (French)
Résumé Les anodes dimensionnellement stables en titane (Ti) métal revêtu d'oxydes métalliques mixtes (MMO) sont largement utilisées dans plusieurs applications électrochimiques, en particulier l'électrolyse chloro-alcaline. Ici, nous avons déposé des revêtements MMO sur des substrats de Ti dans différentes compositions, à savoir (60%RuO 2 -40%TiO 2 ), (60%RuO 2 -30%TiO 2 -10%IrO 2 ), et (60%RuO 2 -20%TiO 2 -15%IrO 2 -5%Ta 2 O 5 ), où RuO 2 a le même rapport de pourcentage dans tous les revêtements. L'objectif était d'utiliser ces électrodes pour des applications de réaction d'évolution du chlore (CER) et de réaction d'évolution de l'oxygène (OER). La caractérisation électrochimique des échantillons revêtus a été réalisée pour identifier les meilleures électrodes Ti/MMO avec les rendements les plus élevés parmi les différentes combinaisons préparées. Le rôle de l'IrO 2 et du Ta 2 O 5 dans l'amélioration de la résistance à la corrosion et de l'efficacité électrochimique était sujet à débat. Les analyses par microscope électronique à balayage (MEB), spectroscopie à dispersion d'énergie (EDS), diffraction des rayons X (DRX) et spectroscopie photoélectronique aux rayons X (SPX) ont été exploitées pour déterminer la morphologie de surface, la composition chimique, la cristallinité, la composition de surface et les états chimiques des revêtements acquis. La méthode de calorimétrie différentielle à balayage (DSC) a été utilisée pour évaluer l'énergie d'activation apparente ( $${{\text{E}}}_{{\text{a}}}$$ E a ) du MMO déposé. De plus, les performances électrochimiques de nos revêtements conçus ont été examinées par voltamétrie cyclique (CV), spectroscopie d'impédance électrochimique (EIS), un test de marche-arrêt du courant, un test de stabilité CV (ST) et un test de stabilité accéléré (AST). En outre, la voltamétrie à balayage linéaire (LSV) a été incorporée pour évaluer l'efficacité catalytique des anodes préparées vis-à-vis de la CER dans une solution de saumure de pH 2 et de l'OER dans 1 M H 2 SO 4 . Il est devenu clair que le CER et l'OER ont encouru presque la même valeur de potentiel (1,1 V) sur les électrodes Ti/RuO 2 -TiO 2 et Ti/RuO 2 -TiO 2 -IrO 2. Cependant, sur l'anode Ti/RuO 2 -TiO 2 -IrO 2 -Ta 2 O 5, il y avait une différence de potentiel de 0,2 V entre le CER se produisant à 1,1 V et l'OER se produisant à 1,3 V.Translated Description (Spanish)
Resumen Los ánodos dimensionalmente estables de metal de titanio (Ti) recubiertos con óxidos metálicos mixtos (MMO) se utilizan ampliamente en varias aplicaciones electroquímicas, especialmente en la electrólisis cloro-álcali. Aquí, depositamos recubrimientos MMO sobre sustratos de Ti en diferentes composiciones, a saber, (60%RuO 2 -40%Tío 2 ), (60%RuO 2 -30%Tío 2 -10%IrO 2 ) y (60%RuO 2 -20%Tío 2 -15%IrO 2 -5%Ta 2 O 5 ), donde RuO 2 tiene la misma proporción porcentual en todos los recubrimientos. El objetivo era utilizar estos electrodos para aplicaciones de reacción de evolución de cloro (CER) y reacción de evolución de oxígeno (OER). La caracterización electroquímica de las muestras recubiertas se realizó para identificar los mejores electrodos de Ti/MMO con las mayores eficiencias entre las diversas combinaciones preparadas. El papel de IrO 2 y Ta 2 O 5 en la mejora de la resistencia a la corrosión y la eficacia electroquímica fue objeto de debate. Se utilizaron análisis de microscopio electrónico de barrido (SEM), espectroscopía de dispersión de energía (EDS), difracción de rayos X (XRD) y espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS) para determinar la morfología de la superficie, la composición química, la cristalinidad, la composición de la superficie y los estados químicos de los recubrimientos adquiridos. Se utilizó el método de calorimetría diferencial de barrido (DSC) para evaluar la energía de activación aparente ( $${{\text{E}}}_{{\text{a}}}$$ E a) del MMO depositado. Además, el rendimiento electroquímico de nuestros recubrimientos diseñados se analizó mediante voltametría cíclica (CV), espectroscopía de impedancia electroquímica (EIS), una prueba de encendido-apagado de corriente, una prueba de estabilidad CV (ST) y una prueba de estabilidad acelerada (AST). Además, se incorporó voltametría de barrido lineal (LSV) para evaluar la eficacia catalítica de los ánodos preparados hacia el CER en una solución de salmuera de pH 2 y el OER en 1 M H 2 SO 4 . Quedó claro que el CER y el OER incurrieron en casi el mismo valor potencial (1.1 V) en los electrodos Ti/RuO 2 -TiO 2 y Ti/RuO 2 -TiO 2 -IrO 2. Sin embargo, en el ánodo Ti/RuO 2 -Tío 2 -IrO 2 -Ta 2 O 5, hubo una diferencia de potencial de 0.2 V entre el CER que ocurre a 1.1 V y el OER que ocurre a 1.3 V.Files
s41598-024-59595-2.pdf.pdf
Files
(7.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:18411573bf8ba332ecbc29eaae53c14b
|
7.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التوليف الأخضر وتوصيف الأنودات الثنائية والثلاثية والرباعية Ti/MMO لتفاعلات تطور الكلور والأكسجين
- Translated title (French)
- Synthèse verte et caractérisation des anodes binaires, ternaires et quaternaires Ti/MMO pour les réactions d'évolution du chlore et de l'oxygène
- Translated title (Spanish)
- Síntesis verde y caracterización de ánodos de Ti/MMO binarios, ternarios y cuaternarios para reacciones de desprendimiento de cloro y oxígeno
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4396230005
- DOI
- 10.1038/s41598-024-59595-2
References
- https://openalex.org/W151429231
- https://openalex.org/W1623117034
- https://openalex.org/W1963585239
- https://openalex.org/W1964740351
- https://openalex.org/W1969117353
- https://openalex.org/W1975878207
- https://openalex.org/W1990081207
- https://openalex.org/W2003119916
- https://openalex.org/W2021697093
- https://openalex.org/W2023573144
- https://openalex.org/W2024487591
- https://openalex.org/W2027717667
- https://openalex.org/W2062125475
- https://openalex.org/W2064303787
- https://openalex.org/W2070550470
- https://openalex.org/W2074896930
- https://openalex.org/W2077549739
- https://openalex.org/W2082080680
- https://openalex.org/W2082289035
- https://openalex.org/W2094532146
- https://openalex.org/W2122154122
- https://openalex.org/W2153026154
- https://openalex.org/W2169074035
- https://openalex.org/W2275807117
- https://openalex.org/W2322540618
- https://openalex.org/W2412795547
- https://openalex.org/W2471421707
- https://openalex.org/W2471642713
- https://openalex.org/W2532398870
- https://openalex.org/W2566951944
- https://openalex.org/W2586445831
- https://openalex.org/W2792768350
- https://openalex.org/W2892126839
- https://openalex.org/W2899603779
- https://openalex.org/W2940622229
- https://openalex.org/W2942275568
- https://openalex.org/W2942948261
- https://openalex.org/W3021016628
- https://openalex.org/W3036826286
- https://openalex.org/W3037448087
- https://openalex.org/W3135289491
- https://openalex.org/W3157435568
- https://openalex.org/W4200304159
- https://openalex.org/W4293817352
- https://openalex.org/W4307401070
- https://openalex.org/W4317666165
- https://openalex.org/W4318305545
- https://openalex.org/W4365396167
- https://openalex.org/W4376878958
- https://openalex.org/W4382061060