+

RU2487198C1 - Metal oxide electrode, method of making said electrode and use - Google Patents

Metal oxide electrode, method of making said electrode and use Download PDF

Info

Publication number
RU2487198C1
RU2487198C1 RU2012121042/04A RU2012121042A RU2487198C1 RU 2487198 C1 RU2487198 C1 RU 2487198C1 RU 2012121042/04 A RU2012121042/04 A RU 2012121042/04A RU 2012121042 A RU2012121042 A RU 2012121042A RU 2487198 C1 RU2487198 C1 RU 2487198C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrode
platinum
titanium
metal oxide
alloys
Prior art date
Application number
RU2012121042/04A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Галина Ильинична Маринина
Марина Сергеевна Васильева
Антонина Сергеевна Лапина
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный федеральный университет"
Priority to RU2012121042/04A priority Critical patent/RU2487198C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2487198C1 publication Critical patent/RU2487198C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Electrodes For Compound Or Non-Metal Manufacture (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

FIELD: chemistry.
SUBSTANCE: electrode is a base made from titanium or alloys thereof with a titanium oxide coating formed by plasma-electrolytic oxidation, on which platinum nanoparticles and agglomerates thereof are deposited by thermal decomposition of chloroplatinic acid, wherein the amount of platinum is higher than 0.01 g/m2. The method involves forming a titanium oxide coating on the base made from titanium or alloys thereof by plasma-electrolytic oxidation, followed by depositing platinum nanoparticles and agglomerates thereof onto the formed porous titanium oxide surface by impregnating the porous titanium oxide surface with chloroplatinic acid, followed by thermal decomposition thereof.
EFFECT: low cost of making a metal oxide electrode and enabling use thereof for electroanalytical purposes.
4 cl, 3 dwg, 1 tbl, 5 ex

Description

Изобретение относится к химическим производствам, в частности к пленочному металлоксидному электроду, технологии его изготовления и применению в аналитической химии.The invention relates to chemical production, in particular to a film metal oxide electrode, the technology of its manufacture and use in analytical chemistry.

Известен способ получения высокочувствительных потенциометрических датчиков на основе полимера [пат. РФ №2301997, опубл. 27.06.2007 г.]. Полученные иономерные сенсоры содержат электропроводящую полимерную пленку в качестве чувствительного элемента. Потенциометрические датчики получают путем электрохимического синтеза нанесением на рабочие электроды полимерной пленки из водного раствора для электрохимической полимеризации, который содержит мономерные звенья электропроводящего полимера в концентрации от 0,002 до 0,05 М. Недостатком известного способа является сложность процесса получения образцов.A known method of producing highly sensitive potentiometric sensors based on a polymer [US Pat. RF №2301997, publ. June 27, 2007]. The resulting ionomer sensors contain an electrically conductive polymer film as a sensing element. Potentiometric sensors are obtained by electrochemical synthesis by applying to the working electrodes a polymer film from an aqueous solution for electrochemical polymerization, which contains monomer units of an electrically conductive polymer in a concentration of from 0.002 to 0.05 M. The disadvantage of this method is the complexity of the process of obtaining samples.

Известен способ приготовления электрода, описанный в [пат. РФ №2385969, опубл. 10.04.2010 г.], согласно которому способ получения электрода для электрохимических процессов заключается в электроосаждении электрокаталитического покрытия на основе смешанных оксидов неблагородных металлов на поверхности титана. Указанное покрытие на поверхности титана формируют путем электроосаждения из водного раствора электролита, содержащего соли кобальта, марганца, никеля и борную кислоту, под действием переменного асимметричного тока, в котором соотношение амплитуды токов анодного и катодного полупериодов составляет 2:1, при напряжении 8-10 В, при следующем соотношении компонентов (г/л): CoSO4·7H2O - (100,0-110,0); MnSO4·5H2O - (20,0-25,0); NiSO4·7H2O - (15,0-20,0) и H3BO3 - (25,0-30,0), с последующей термообработкой в окислительной атмосфере при 350-380°C в течение 30 минут. Недостатком данного способа является поликомпонентность электролита и многостадийность процесса получения покрытия.A known method of preparing the electrode described in [US Pat. RF №2385969, publ. 04/10/2010], according to which the method of producing an electrode for electrochemical processes consists in the electrodeposition of an electrocatalytic coating based on mixed oxides of base metals on a titanium surface. The specified coating on the surface of titanium is formed by electrodeposition from an aqueous solution of an electrolyte containing salts of cobalt, manganese, nickel and boric acid, under the action of an asymmetric alternating current, in which the ratio of the amplitude of the currents of the anode and cathode half-periods is 2: 1, at a voltage of 8-10 V , in the following ratio of components (g / l): CoSO 4 · 7H 2 O - (100.0-110.0); MnSO 4 · 5H 2 O - (20.0-25.0); NiSO 4 · 7H 2 O - (15.0-20.0) and H 3 BO 3 - (25.0-30.0), followed by heat treatment in an oxidizing atmosphere at 350-380 ° C for 30 minutes. The disadvantage of this method is the multicomponent electrolyte and the multi-stage process of obtaining coatings.

Известен способ получения оксидно-титановых пленочных электродов, легированных микроколичеством платины [Малевич Д.В., Дроздович В.Б., Жарский И.М. Синтез и исследование состояния поверхности пленочного платино-оксиднотитанового электрода // Электрохимия. 1997. Т.33. Т.2. С.365-367]. Согласно способу формирование платинового покрытия проводят послойно методом термолиза платиновых соединений. Платиносодержащую композицию наносят на подложку и просушивают (и в ряде случаев прокаливают в течение 3-5 мин). Операции нанесение - сушка - прокаливание повторяют 4-5 раз, после чего проводят заключительную термообработку в течение 30-40 мин. Электрод, изготовленный данным способом, имеет высокую электрокаталитическую активность, содержит 1-2 г/м2 платины. К недостаткам описанного выше способа следует отнести высокий расход дорогостоящих реактивов, а также многостадийность и трудоемкость нанесения платины.A known method of producing titanium oxide film electrodes doped with a micro amount of platinum [Malevich DV, Drozdovich VB, Zharsky IM Synthesis and investigation of the surface state of a film of a platinum-oxide-titanium electrode // Electrochemistry. 1997.V. 33. T.2. S.365-367]. According to the method, the formation of a platinum coating is carried out layer by layer by the method of thermolysis of platinum compounds. The platinum-containing composition is applied to a substrate and dried (and, in some cases, calcined for 3-5 minutes). Application operations - drying - calcination is repeated 4-5 times, after which the final heat treatment is carried out for 30-40 minutes. The electrode manufactured by this method has a high electrocatalytic activity, contains 1-2 g / m 2 platinum. The disadvantages of the above method include the high consumption of expensive reagents, as well as the multi-stage and laborious application of platinum.

Наиболее близким к заявляемому способом приготовления электрода, выбранному за прототип, является способ, описанный в [пат. РФ №2288973, опубл. 10.12.2006 г.]. Согласно способу электрод представляет собой основу из титана или его сплавов с электрокаталитическим покрытием из оксидов рутения и титана при соотношении (мол.%) 25-30:70-75; при этом он содержит промежуточные подслои из оксидов титана, сформированные методом плазменно-электролитического оксидирования. Способ изготовления электрода включает нанесение на основу из титана или его сплавов электрокаталитического покрытия из оксидов рутения и титана при соотношении (мол.%) 25-30:70-75 термическим разложением смеси солей рутения и титана; при этом на основе перед нанесением электрокаталитического покрытия формируют промежуточные подслои из оксидов титана методом плазменно-электролитического оксидирования. Электрод, изготовленный данным способом, имеет высокую электрокаталитическую активность, не требует активации перед каждым включением и обеспечивает снижение энергозатрат при его использовании в процессе электролиза. К недостаткам описанных выше электрода и способа следует отнести высокий расход дорогостоящих реактивов.Closest to the claimed method of preparation of the electrode selected for the prototype is the method described in [US Pat. RF №2288973, publ. December 10, 2006]. According to the method, the electrode is a base of titanium or its alloys with an electrocatalytic coating of ruthenium and titanium oxides with a ratio (mol.%) Of 25-30: 70-75; however, it contains intermediate sublayers of titanium oxides formed by plasma electrolytic oxidation. A method of manufacturing an electrode includes applying to the base of titanium or its alloys an electrocatalytic coating of ruthenium and titanium oxides with a ratio (mol%) of 25-30: 70-75 by thermal decomposition of a mixture of ruthenium and titanium salts; in this case, on the basis of before applying the electrocatalytic coating, intermediate sublayers of titanium oxides are formed by plasma electrolytic oxidation. The electrode manufactured by this method has a high electrocatalytic activity, does not require activation before each inclusion and provides a reduction in energy consumption when it is used in the electrolysis process. The disadvantages of the above electrode and method include the high consumption of expensive reagents.

Задачей, решаемой изобретением, является разработка стабильного полифункционального металлоксидного электрода, способ его изготовления и применение в качестве полифункционального сенсора.The problem solved by the invention is the development of a stable multifunctional metal oxide electrode, a method for its manufacture and use as a multifunctional sensor.

Техническим результатом, на который направлено предлагаемое изобретение, является снижение стоимости изготовления металлоксидного электрода и возможность применения его в электроаналитических целях.The technical result that the invention is directed to is to reduce the cost of manufacturing a metal oxide electrode and the possibility of using it for electroanalytical purposes.

Поставленная задача решается металлоксидным электродом, выполненным из титана или его сплавов, имеющим слоистое покрытие из оксидов титана, сформированное методом плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО), представляющее собой нижний плотный защитный подслой толщиной 1 мкм и верхний пористый слой из оксидов титана толщиной 1-10 мкм, с нанесенными наночастицами платины.The problem is solved by a metal oxide electrode made of titanium or its alloys, having a layered coating of titanium oxides formed by plasma electrolytic oxidation (PEO), which is a lower dense protective sublayer 1 μm thick and an upper porous layer of titanium oxides with a thickness of 1-10 μm, coated with platinum nanoparticles.

Поставленная задача решается также способом изготовления металлоксидного электрода, включающим предварительное формирование известным методом ПЭО на поверхности титана или его сплавов слоистого покрытия, состоящего из нижнего плотного защитного подслоя и верхнего пористого слоя из оксидов титана с последующим нанесением платины, которое осуществляют пропиткой сформированного пористого подслоя из оксидов титана в растворах платинохлорводородной кислоты концентрацией от 10-4 до 3·10-l M в течение 60 мин, после чего образец сушат на воздухе и проводят термообработку в окислительной атмосфере при температуре 500°C в течение 4 ч.The problem is also solved by a method of manufacturing a metal oxide electrode, including the preliminary formation of a layered coating on the surface of titanium or its alloys using the known PEO method, consisting of a lower dense protective sublayer and an upper porous layer of titanium oxides followed by platinum deposition, which is carried out by impregnation of the formed porous sublayer of oxides platinohlorvodorodnoy titanium in acid solutions of a concentration of 10 -4 to 3 x 10 -l M for 60 min, after which the sample was dried at Sports xe and heat-treated in an oxidizing atmosphere at a temperature of 500 ° C for 4 hours.

Структура электрода с промежуточными подслоями из оксидов титана, полученного заявляемым способом, отличается от структуры электрода, выбранного за прототип. Аналогично электроду-прототипу она включает в себя плотный защитный подслой постоянной толщины до 1 мкм и пористый слой из диоксида титана толщиной 1-10 мкм, сформированные известным методом ПЭО на титане или его сплавах. Существенным отличием является количество благородного металла, нанесенное на эти подслои, и его размещение на поверхности электрода. Наноразмерные частицы платины и их агломераты, нанесенные на слои из оксидов титана, не формируют сплошной слой на поверхности заявляемого металлоксидного электрода, а присутствуют в небольшом количестве и размещаются преимущественно во впадинах пористой поверхности образца, сформированной методом ПЭО.The structure of the electrode with intermediate sublayers of titanium oxides obtained by the claimed method differs from the structure of the electrode selected for the prototype. Like the prototype electrode, it includes a dense protective sublayer of constant thickness up to 1 μm and a porous layer of titanium dioxide with a thickness of 1-10 μm formed by the known PEO method on titanium or its alloys. A significant difference is the amount of precious metal deposited on these sublayers and its placement on the surface of the electrode. Nanosized particles of platinum and their agglomerates deposited on layers of titanium oxides do not form a continuous layer on the surface of the inventive metal oxide electrode, but are present in a small amount and are located mainly in the depressions of the porous surface of the sample formed by the PEO method.

Состав и структура поверхности заявляемого электрода изучены с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) Н-5500 с системой энергодисперсионного рентгеноспектрального микроанализа (EDX) производства «Thermo Scientific». С целью определения химического состава поверхности образцов (слоя глубиной ~3 нм) был использован метод рентгенофотоэлектронной микроскопии (РЭС). Рентгенофотоэлектронные спектры измерены на сверхвысоковакуумной установке фирмы Specs (Германия) с использованием 150-мм электростатического полусферического анализатора. Для ионизации применялось MgKα излучение. Калибровка спектров проводилась по C1s-линиям углеводородов, энергия которых полагалась равной 285.0 эВ. Данные получены как средние значения при анализе поверхности 1×1 мм2.The composition and surface structure of the inventive electrode was studied using a scanning electron microscope (SEM) N-5500 with an energy dispersive X-ray microanalysis (EDX) system manufactured by Thermo Scientific. In order to determine the chemical composition of the surface of the samples (layer ~ 3 nm deep), the method of X-ray photoelectron microscopy (RES) was used. X-ray photoelectron spectra were measured on an ultrahigh-vacuum installation by Specs (Germany) using a 150-mm electrostatic hemispherical analyzer. For ionization, MgKα radiation was used. The spectra were calibrated using the C1s lines of hydrocarbons, whose energy was assumed to be equal to 285.0 eV. The data are obtained as average values when analyzing a surface of 1 × 1 mm 2 .

На фиг.1 представлены электронно-микроскопические снимки поверхности, где: фиг.1а - снимок поверхности заявляемого электрода с оксидным слоем, полученным ПЭО; фиг.1б - снимок поверхности заявляемого электрода, полученного по примеру 1 (но при концентрации H2PtCl6, равной 10-3 моль/л); фиг.1в - снимок поверхности заявляемого электрода, полученного по примеру 1 (при концентрации H2PtCl6 3·10-1 моль/л).In Fig.1 presents electron microscopic images of the surface, where: Fig.1A is a photograph of the surface of the inventive electrode with an oxide layer obtained by PEO; figb is a snapshot of the surface of the inventive electrode obtained in example 1 (but at a concentration of H 2 PtCl 6 equal to 10 -3 mol / l); figv is a snapshot of the surface of the inventive electrode obtained in example 1 (at a concentration of H 2 PtCl 6 3 · 10 -1 mol / l).

Обнаружено, что морфология поверхности электрода с оксидным слоем, полученным ПЭО (фиг.1а), характеризуется оплавленной пористой структурой без каких-либо дополнительных включений. На поверхности заявляемого электрода с включениями платины (фиг.1в) наблюдаются в небольшом количестве наноразмерные частицы платины и агломераты из таких частиц, расположенные во впадинах поверхности. Согласно данным элементного анализа обнаруженных наночастиц в составе агломератов (область 1) обнаружено, ат.%: до 17.2 C, 72.1 O, 8.8 Ti, 1.9 Pt. В составе отдельных частичек (область 2) обнаружено, ат.%: до 10.6 C, 64.9 O, 24.5 Ti, 0.03 Pt. На поверхности заявляемого электрода, сформированного при иной концентрации H2PtCl6, а именно, 10-3 моль/л (фиг.1б), обнаружены преимущественно сплавленные платиносодержащие частицы, в составе которых обнаружено, ат.%: до 21.3 О, 76.4 Ti, 2.4 Pt. При этом платиносодержащие частицы также располагаются во впадинах поверхности.It was found that the surface morphology of the electrode with the oxide layer obtained by PEO (figa) is characterized by a fused porous structure without any additional inclusions. On the surface of the inventive electrode with inclusions of platinum (pigv) are observed in a small amount of nanosized particles of platinum and agglomerates of such particles located in the hollows of the surface. According to the data of elemental analysis of the detected nanoparticles in the composition of agglomerates (region 1), at.% Was found: up to 17.2 C, 72.1 O, 8.8 Ti, 1.9 Pt. In the composition of individual particles (region 2), at.% Was found: up to 10.6 C, 64.9 O, 24.5 Ti, 0.03 Pt. On the surface of the inventive electrode, formed at a different concentration of H 2 PtCl 6 , namely, 10 -3 mol / l (Fig. 1b), mainly fused platinum-containing particles were found, in the composition of which it was found, at.%: Up to 21.3 O, 76.4 Ti , 2.4 Pt. In this case, platinum-containing particles are also located in the hollows of the surface.

О форме нахождения платины на поверхности заявляемого электрода, сформированного по примеру 1, позволяют сделать вывод представленные на фиг.2 XPS спектры Pt 4f7/2 и Pt 4f5/2; на фиг.2а представлены XPS спектры до травления поверхности электрода, на фиг.2б - после стравливания поверхностного слоя толщиной ~30 ангстрем. Согласно представленным спектрам можно сделать заключение о том, что на поверхности модифицированного электрода платина находится преимущественно в металлическом состоянии Pt0, в меньшей мере - в состояниях, близких к Pt2+ и Pt4+. Образование металлической платины происходит при термолизе H2PtCl6 по реакции: H2PtCl6=Pt+2Cl2+2HCl. Тот факт, что дополнительно обнаружена окисленная платина, очевидно, обусловлен тем, что платинирование электрода разложением гексахлорплатиновой кислоты осуществляют в присутствии кислорода воздуха. Данное предположение подтверждает тот факт, что в приповерхностном слое (после стравливания верхнего слоя толщиной ~30 ангстрем) заметно уменьшается количество сильно окисленной платины и соответственно возрастает количество платины в металлическом состоянии (фиг.2б).On the form of platinum on the surface of the inventive electrode formed according to example 1, we can conclude presented in figure 2 XPS spectra of Pt 4f 7/2 and Pt 4f 5/2 ; on figa presents XPS spectra before etching the surface of the electrode, on figb - after etching the surface layer with a thickness of ~ 30 angstroms. According to the presented spectra, we can conclude that, on the surface of the modified electrode, platinum is predominantly in the metallic state of Pt 0 , to a lesser extent, in states close to Pt 2+ and Pt 4+ . The formation of platinum metal occurs during the thermolysis of H 2 PtCl 6 by the reaction: H 2 PtCl 6 = Pt + 2Cl 2 + 2HCl. The fact that oxidized platinum was additionally detected is obviously due to the fact that plating of the electrode by decomposition of hexachloroplatinic acid is carried out in the presence of atmospheric oxygen. This assumption is confirmed by the fact that in the near-surface layer (after etching of the upper layer with a thickness of ~ 30 angstroms), the amount of strongly oxidized platinum decreases markedly and, accordingly, the amount of platinum in the metallic state increases (Fig.2b).

Таким образом, на основании данных XPS спектров и электронных снимков можно сделать заключение о том, что на поверхности заявляемого металлоксидного электрода платина находится в атомарном состоянии в виде наночастиц и их агломератов, присутствие которых приводит к изменению электроаналитических свойств электрода.Thus, based on the XPS spectra and electronic images, we can conclude that on the surface of the inventive metal oxide electrode, platinum is in an atomic state in the form of nanoparticles and their agglomerates, the presence of which leads to a change in the electroanalytic properties of the electrode.

Обычно плазменно-электролитическое оксидирование поверхностей металлов и их сплавов, в частности титана и его сплавов, используют для получения покрытий с защитными, изолирующими, а иногда каталитическими свойствами. Применение технологии ПЭО для получения полифункциональных сенсоров не известно из уровня техники. Очевидно, что сформированный этим методом пористый слой из оксидов титана создает оптимальные условия для осаждения каталитически активных наночастиц платины в неровностях поверхностного слоя изготовленного электрода.Typically, plasma-electrolytic oxidation of the surfaces of metals and their alloys, in particular titanium and its alloys, is used to produce coatings with protective, insulating, and sometimes catalytic properties. The use of PEO technology to obtain multifunctional sensors is not known from the prior art. Obviously, the porous layer of titanium oxides formed by this method creates optimal conditions for the deposition of catalytically active platinum nanoparticles in the roughness of the surface layer of the fabricated electrode.

Впервые обнаружено, что пропитка платинохлорводородной кислотой предварительно полученных плазменно-электролитической обработкой на титане либо его сплавах плотного защитного и пористого оксидного слоев в сочетании с последующей термообработкой электрода при 500°C в течение 4 часов приводят к получению наночастиц платины на поверхности электрода, в результате чего формируются металлоксидные электроды с хорошими электроаналитическими свойствами.It was found for the first time that impregnation of previously obtained plasma-electrolytic treatment with titanium or its alloys with platinum hydrochloric acid on a dense protective and porous oxide layer in combination with subsequent heat treatment of the electrode at 500 ° C for 4 hours leads to the production of platinum nanoparticles on the electrode surface, resulting in metal oxide electrodes with good electroanalytical properties are formed.

Определенное расчетным способом содержание Pt в поверхностных слоях заявляемого электрода составляет менее 0,01 г/м2, в то время как на поверхности прототипа содержится до 1 г/м2 дорогостоящего металла - рутения. Очевидно, что заявляемый электрод обладает более низкой стоимостью по сравнению с прототипом.Defined by the calculation method, the content of Pt in the surface layers of the inventive electrode is less than 0.01 g / m 2 , while on the surface of the prototype contains up to 1 g / m 2 of expensive metal - ruthenium. Obviously, the inventive electrode has a lower cost compared to the prototype.

Способ изготовления заявляемого электрода также является объектом изобретения и заключается в следующем.A method of manufacturing the inventive electrode is also an object of the invention and is as follows.

Перед процессом плазменно-электролитического оксидирования пластину из титана или его сплавов подвергают механическому шлифованию с последующей химической обработкой образца в смеси концентрированных минеральных кислот, промыванием и сушкой.Before the process of plasma-electrolytic oxidation, a plate of titanium or its alloys is subjected to mechanical grinding followed by chemical treatment of the sample in a mixture of concentrated mineral acids, washing and drying.

Оксидные слои на титане или его сплавах формируют известным методом ПЭО в водном электролите при pH 8-10 в гальваностатическом режиме при плотности постоянного тока i=0,05-0,4 А/см2, напряжении 100-300 В, времени оксидирования 1-10 минут и температуре электролита 10-30°C.The oxide layers on titanium or its alloys are formed by the known PEO method in an aqueous electrolyte at pH 8-10 in the galvanostatic mode at a constant current density of i = 0.05-0.4 A / cm 2 , voltage 100-300 V, oxidation time 1- 10 minutes and an electrolyte temperature of 10-30 ° C.

Затем на пористый оксидный слой наносят платину термическим разложением платинохлорводородной кислоты путем пропитки образца в водном растворе H2PtCl6 с концентрацией от 10-4 до 3·10-1 М, после чего образец сушат при комнатной температуре, а затем прокаливают при температуре 500°C в течение 4 часов.Then platinum is deposited on the porous oxide layer by thermal decomposition of platinum hydrochloric acid by impregnating the sample in an aqueous solution of H 2 PtCl 6 with a concentration of 10 -4 to 3 · 10 -1 M, after which the sample is dried at room temperature and then calcined at a temperature of 500 ° C for 4 hours.

Оптимальные условия нанесения платины (концентрация H2PtCl6, температура и время прокаливания) на поверхность заявляемого электрода определили экспериментальным путем. Установлено, что с увеличением времени прокаливания содержание стабильной рутильной фазы оксида титана повышается. При более длительном отжиге происходит деструкция и осыпание оксидов с поверхности электрода. Экспериментально установлено оптимальное время отжига - 4 часа. Из уровня техники известно, что рекомендуемый интервал температур при получении оксидных покрытий термическим способом составляет 300-500°C. Заявляемый интервал концентрации H2PtCl6 на стадии платинирования заявляемого металлоксидного электрода также определен экспериментальным путем. Установлено, что уменьшение концентрации H2PtCl6 менее 10-4 М не позволяет сформировать электрод, который проявляет необходимые электроаналитические характеристики при использовании его в качестве сенсора. Увеличение же концентрации платинохлорводородной кислоты более 10-1 не является рациональным вследствие расхода драгметалла.The optimal conditions for the deposition of platinum (concentration of H 2 PtCl 6 , temperature and time of calcination) on the surface of the inventive electrode was determined experimentally. It was found that with an increase in calcination time, the content of the stable rutile phase of titanium oxide increases. With longer annealing, destruction and shedding of oxides from the electrode surface occurs. The optimum annealing time of 4 hours was experimentally established. It is known from the prior art that the recommended temperature range for the preparation of oxide coatings by the thermal method is 300-500 ° C. The inventive concentration range of H 2 PtCl 6 at the stage of platinization of the inventive metal oxide electrode is also determined experimentally. It was found that a decrease in the concentration of H 2 PtCl 6 less than 10 -4 M does not allow the formation of an electrode that exhibits the necessary electroanalytical characteristics when used as a sensor. An increase in the concentration of platinum hydrochloric acid more than 10 -1 is not rational due to the consumption of precious metal.

Объектом заявляемого изобретения является также применение изготовленного заявляемым способом электрода для аналитических целей. Экспериментальным путем было обнаружено, что полученный электрод отличается высокой стабильностью в работе, хорошими электроаналитическими свойствами и воспроизводимостью результатов аналитических исследований, сопоставимых, а в ряде реакций превосходящих традиционно используемые для этих целей металлические электроды (платиновый в окислительно-восстановительном и серебряный в осадительном потенциометрических титрованиях).The object of the invention is the use of manufactured by the claimed method of the electrode for analytical purposes. It was experimentally found that the obtained electrode is characterized by high stability in operation, good electroanalytical properties and reproducibility of analytical results that are comparable, and in a number of reactions, superior to metal electrodes traditionally used for these purposes (platinum in redox and silver in precipitation potentiometric titrations) .

Об аналитической эффективности предлагаемого электрода судили, используя его в качестве индикаторного электрода в потенциометрическом титровании по реакциям комплексонометрического, окислительно-восстановительного и осадительного типов. В качестве электрода сравнения служил стандартный хлоридсеребряный электрод.The analytical effectiveness of the proposed electrode was judged using it as an indicator electrode in potentiometric titration using complexometric, redox, and precipitation reactions. A standard silver chloride electrode served as a reference electrode.

Стабильность работы заявляемого электрода в качестве аналитического сенсора и хорошая воспроизводимость результатов аналитических исследований доказана проведением многократных потенциометрических измерений, в том числе после продолжительного хранения электрода в обычных условиях на воздухе. Показана полифункциональность электрода и возможность его применения для индикации различных типов реакций, что подтверждается данными экспериментальных исследований, приведенными в таблице и на фиг.3. На фиг.3 представлены дифференциальные кривые комплексонометрического титрования 0.05 М раствора Fe(III) 0.05 М раствором ЭДТА-Na с электродами: 1 - Pt, 2 - немодифицированный ПЭО, 3 - ПЭО, пропитанный в 3·10-1 М H2PtCl6 и прокален при 500°C в течение 4 ч, 4 - ПЭО, пропитанный в 10-4 М H2PtCl6 и прокален при 500°C в течение 4 ч.The stability of the inventive electrode as an analytical sensor and the good reproducibility of the results of analytical studies have been proven by repeated potentiometric measurements, including after prolonged storage of the electrode under ordinary conditions in air. The multifunctionality of the electrode and the possibility of its use for indicating various types of reactions are shown, which is confirmed by the data of experimental studies shown in the table and figure 3. Figure 3 presents the differential curves of complexometric titration of a 0.05 M Fe (III) solution with a 0.05 M EDTA-Na solution with electrodes: 1 - Pt, 2 - unmodified PEO, 3 - PEO impregnated in 3 · 10 -1 M H 2 PtCl 6 and calcined at 500 ° C for 4 hours, 4 — PEO impregnated in 10 -4 M H 2 PtCl 6 and calcined at 500 ° C for 4 hours

ТаблицаTable Влияние концентрации H2PtCl6 на значение скачка потенциала (dE/dV, мВ/мл) для электрода при титровании по различным типам реакций (n=10; Р=0,95)*The effect of the concentration of H 2 PtCl 6 on the value of the potential jump (dE / dV, mV / ml) for the electrode during titration by various types of reactions (n = 10; P = 0.95) * No. С(H2PtCl6), моль/лC (H 2 PtCl 6 ), mol / L Вид титрованияType of titration Окислительно-восстановительное (титрование 0,05 н. раствора Fe(II) 0.1 н. раствором Се(IV))Redox (titration of a 0.05 N Fe (II) solution with 0.1 N Ce (IV) solution) Осадительное (титрование 0,05 н. раствора NaCl 0,05 н. раствором AgNO3)Precipitation (titration of a 0.05 N NaCl solution with a 0.05 N AgNO 3 solution) Комплексонометрическое (титрование 0,05 н. раствора Fe(III) 0,05 н. раствора ЭДТА-Na)Complexometric (titration of a 0.05 N Fe (III) solution of a 0.05 N EDTA-Na solution) 1one -- 314±2,48314 ± 2.48 118±9,93118 ± 9.93 10±7,8510 ± 7.85 22 3·10-1 3 · 10 -1 440±5,36440 ± 5.36 197±14,55197 ± 14.55 177±10,73177 ± 10.73 33 1·10-3 1 · 10 -3 390±5,55390 ± 5.55 151±12,82151 ± 12.82 157±14,83157 ± 14.83 4four 1.10-4 1.10 -4 392±13,02392 ± 13.02 172±4,3172 ± 4.3 99±7,1799 ± 7.17 55 PtPt 413±5,91413 ± 5.91 126±11,34126 ± 11.34 142±7,17142 ± 7.17 66 AgAg 205±13,14205 ± 13.14 -- *n - число опытов; Р - доверительная вероятность.* n is the number of experiments; P is the confidence probability.

При оптимальных условиях формирования слоев оксидов титана и нанесения платины (концентрация раствора платинохлорводородной кислоты, время пропитки, температура и продолжительность отжига) получен металлоксидный электрод, для которого скачок потенциала, например, по реакции комплексонометрического титрования составляет dE/dV=177±10.73.Under optimal conditions for the formation of layers of titanium oxides and platinum deposition (concentration of a solution of platinum chloride, impregnation time, temperature and annealing time), a metal oxide electrode was obtained for which the potential jump, for example, by the complexometric titration reaction, is dE / dV = 177 ± 10.73.

Представленные ниже примеры подтверждают, но не ограничивают предлагаемое изобретение. Перед процессом плазменно-электролитического оксидирования образец подготавливают по известной из уровня техники методике. Для этого пластину из титана или его сплавов подвергают механическому шлифованию, затем химической обработке в смеси концентрированных кислот HF:HNO3 (1:3) при температуре 60-80°C в течение 2-3 с, после чего промывают дистиллированной водой и высушивают на воздухе.The examples below confirm, but do not limit, the invention. Before the process of plasma electrolytic oxidation, a sample is prepared according to a method known from the prior art. For this, a plate of titanium or its alloys is subjected to mechanical grinding, then chemical treatment in a mixture of concentrated acids HF: HNO 3 (1: 3) at a temperature of 60-80 ° C for 2-3 s, after which it is washed with distilled water and dried on in the air.

Пример 1. Подготовленную титановую пластину марки ВТ 1-0 подвергают плазменно-электролитическому оксидированию в водном 0.1 М растворе тетрабората натрия при pH 8-10 в гальваностатическом режиме при плотности постоянного тока i=0,2 А/см2, времени оксидирования 10 мин и температуре электролита 25°C. В результате обработки формируется плотный защитный подслой толщиной 1 мкм и пористый оксидный слой толщиной 4-5 мкм из диоксида титана. Затем оксидированный образец пропитывают в водном растворе H2PtCl6 концентрацией 3·10-1 моль·л-1 в течение 1 ч, сушат и термически обрабатывают при 500°C в течение 4 часов.Example 1. The prepared titanium plate of grade VT 1-0 is subjected to plasma electrolytic oxidation in an aqueous 0.1 M sodium tetraborate solution at a pH of 8-10 in the galvanostatic mode at a constant current density of i = 0.2 A / cm 2 , oxidation time of 10 min and electrolyte temperature 25 ° C. As a result of processing, a dense protective sublayer 1 μm thick and a porous oxide layer 4-5 μm thick of titanium dioxide are formed. Then the oxidized sample is impregnated in an aqueous solution of H 2 PtCl 6 with a concentration of 3 · 10 -1 mol · l -1 for 1 h, dried and heat treated at 500 ° C for 4 hours.

Пример 2. Изготавливают электрод по примеру 1, но пропитку осуществляют в водном растворе H2PtCl6 концентрацией 10-4 моль·л-1.Example 2. An electrode is prepared according to example 1, but the impregnation is carried out in an aqueous solution of H 2 PtCl 6 with a concentration of 10 -4 mol · l -1 .

Пример 3. Электрод, полученный по примеру 1, использовали в качестве индикаторного электрода в потенциометрическом окислительно-восстановительном титровании 0,05 н. раствора Fe(II) 0,1 н. раствором Се(IV). Значения скачков потенциала представлены в таблице. Величина скачка потенциала в точке эквивалентности больше скачка потенциала для традиционного используемого в данном виде титрования платинового электрода.Example 3. The electrode obtained in example 1 was used as an indicator electrode in potentiometric redox titration of 0.05 N. Fe (II) solution 0.1 N solution of Ce (IV). The values of potential jumps are presented in the table. The value of the potential jump at the equivalence point is greater than the potential jump for the traditional platinum electrode titration used in this form.

Пример 4. Электрод, полученный по примеру 1, использовали в качестве индикаторного электрода в потенциометрическом комплексонометрическом титровании 0,05 н. раствора Fe(III) 0,05 н. раствора ЭДТА-Na. Величина скачка потенциала для данного электрода (кривая 3 на фиг.3) больше величины скачка для Pt электрода (кривая 1 на фиг.3). Таким образом, модифицирование ПЭО-слоев платиной приводит к увеличению аналитического сигнала и при комплексонометрическом титровании.Example 4. The electrode obtained in example 1 was used as an indicator electrode in a potentiometric complexometric titration of 0.05 N. Fe (III) solution of 0.05 n. EDTA-Na solution. The value of the potential jump for a given electrode (curve 3 in Fig. 3) is greater than the value of the jump for the Pt electrode (curve 1 in Fig. 3). Thus, the modification of PEO layers with platinum leads to an increase in the analytical signal during complexometric titration.

Пример 5. Электрод, полученный по примеру 2, использовали в качестве индикаторного электрода в осадительном потенциометрическом титровании 0,05 н. раствора NaCl 0,05 н. раствором AgNO3. Значения скачков потенциала в точке эквивалентности представлены в таблице 1. Данные, подтверждающие модифицирующее действия платины на его электроаналитические характеристики, приведены в таблице 1. Наилучший результат в потенциометрическом титровании по реакциям комплексонометрического и осадительного типов достигается при концентрации H2PtCl6 3·10-1 моль/л, времени пропитки 1 час, продолжительности отжига 4 час и температуре отжига 500°С.Example 5. The electrode obtained in example 2 was used as an indicator electrode in the sedimentation potentiometric titration of 0.05 N. NaCl solution of 0.05 N. AgNO 3 solution. The potential jumps at the equivalence point are presented in Table 1. The data confirming the modifying action of platinum on its electroanalytical characteristics are shown in Table 1. The best result in potentiometric titration by complexometric and precipitation reactions is achieved at a concentration of H 2 PtCl 6 3 · 10 -1 mol / l, impregnation time of 1 hour, annealing time of 4 hours and annealing temperature of 500 ° C.

Таким образом, получен новый металлоксидный электрод, имеющий не описанную ранее структуру, и разработан новый способ получения данного электрода, который может быть успешно использован в аналитических целях. Дополнительным преимуществом предлагаемого электрода и способа его изготовления является существенное снижение расхода драгоценного металла.Thus, a new metal oxide electrode having a structure not previously described is obtained, and a new method for producing this electrode is developed, which can be successfully used for analytical purposes. An additional advantage of the proposed electrode and its manufacturing method is a significant reduction in precious metal consumption.

Claims (4)

1. Металлоксидный электрод, представляющий собой основу из титана или его сплавов с покрытием из оксидов титана, сформированным методом плазменно-электролитического оксидирования, отличающийся тем, что на поверхность электрода нанесена платина в ничтожно малых количествах - не более 0,01 г/м2.1. The metal oxide electrode, which is a base of titanium or its alloys coated with titanium oxides, formed by the method of plasma electrolytic oxidation, characterized in that platinum is deposited on the surface of the electrode in negligible amounts - not more than 0.01 g / m 2 . 2. Металлоксидный электрод по п.1, отличающийся тем, что платина осаждается в неровностях поверхности пористого оксидного покрытия в форме наночастиц и их агломератов.2. The metal oxide electrode according to claim 1, characterized in that platinum is deposited in the surface irregularities of the porous oxide coating in the form of nanoparticles and their agglomerates. 3. Способ изготовления металлоксидного электрода, включающий формирование на поверхности основы электрода из титана или его сплавов подслоя из оксидов титана методом плазменно-электролитического осаждения в водном электролите при pH 8-10 в гальваностатическом режиме при плотности постоянного тока i=0,05-0,4 А/см2, напряжении 100-300 В, времени оксидирования 1-10 мин и температуре электролита 10-30°C, отличающийся тем, что сформированный электрод с подслоями из оксидов титана пропитывают в растворе платинохлорводородной кислоты при концентрации от 10-4 до 3·10-1 М, сушат при комнатной температуре, а затем осаждают наночастицы платины на его поверхность термическим разложением платинохлорводородной кислоты при температуре 500°C в течение 4 ч.3. A method of manufacturing a metal oxide electrode, comprising forming on the surface of the base of the electrode of titanium or its alloys a sublayer of titanium oxides by plasma electrolytic deposition in an aqueous electrolyte at a pH of 8-10 in the galvanostatic mode at a constant current density i = 0.05-0, 4 A / cm 2 , voltage 100-300 V, oxidation time 1-10 min and an electrolyte temperature of 10-30 ° C, characterized in that the formed electrode with sublayers of titanium oxides is impregnated in a solution of platinum chloride at a concentration of 10 -4 to 3 · 10 -1 M, dried at room temperature, and then platinum nanoparticles are deposited on its surface by thermal decomposition of platinum hydrochloric acid at a temperature of 500 ° C for 4 hours. 4. Применение металлоксидного электрода, полученного по пп.1 и 3, в качестве сенсора для потенциометрической индикации различных типов реакций. 4. The use of a metal oxide electrode obtained according to claims 1 and 3 as a sensor for potentiometric indication of various types of reactions.
RU2012121042/04A 2012-05-22 2012-05-22 Metal oxide electrode, method of making said electrode and use RU2487198C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012121042/04A RU2487198C1 (en) 2012-05-22 2012-05-22 Metal oxide electrode, method of making said electrode and use

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012121042/04A RU2487198C1 (en) 2012-05-22 2012-05-22 Metal oxide electrode, method of making said electrode and use

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2487198C1 true RU2487198C1 (en) 2013-07-10

Family

ID=48788257

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2012121042/04A RU2487198C1 (en) 2012-05-22 2012-05-22 Metal oxide electrode, method of making said electrode and use

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2487198C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691661C1 (en) * 2018-07-20 2019-06-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Metal oxide electrode for potentiometric measurements and method of its production

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU397560A1 (en) * 1970-07-23 1973-09-17 METHOD OF PLATING TITANIUM ELECTRODES
EP0243302B1 (en) * 1986-04-17 1992-01-22 Eltech Systems Corporation An electrode with a platinum metal catalyst in surface film and its use
JPH09125291A (en) * 1995-11-01 1997-05-13 Permelec Electrode Ltd Electrode substrate
RU2288973C1 (en) * 2005-06-02 2006-12-10 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный университет" (ДВГУ) Electrode and method of its production
RU2446235C2 (en) * 2006-10-11 2012-03-27 Индустрие Де Нора С.П.А. Cathode for electrolytic processes

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU397560A1 (en) * 1970-07-23 1973-09-17 METHOD OF PLATING TITANIUM ELECTRODES
EP0243302B1 (en) * 1986-04-17 1992-01-22 Eltech Systems Corporation An electrode with a platinum metal catalyst in surface film and its use
JPH09125291A (en) * 1995-11-01 1997-05-13 Permelec Electrode Ltd Electrode substrate
RU2288973C1 (en) * 2005-06-02 2006-12-10 Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Дальневосточный государственный университет" (ДВГУ) Electrode and method of its production
RU2446235C2 (en) * 2006-10-11 2012-03-27 Индустрие Де Нора С.П.А. Cathode for electrolytic processes

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Малевич Д.В. и др. Получение пленочного платино-оксиднотитанового электрода и исследование состояния его поверхности. - Электрохимия, 1997, т.33, No.3, с.358-360. *
Малевич Д.В. и др. Получение пленочного платино-оксиднотитанового электрода и исследование состояния его поверхности. - Электрохимия, 1997, т.33, №3, с.358-360. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2691661C1 (en) * 2018-07-20 2019-06-17 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) Metal oxide electrode for potentiometric measurements and method of its production

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Takasu et al. Design of oxide electrodes with large surface area
Li et al. Differential pulse voltammetry detection of dopamine and ascorbic acid by permselective silica mesochannels vertically attached to the electrode surface
Huang et al. Electrochemical behavior of IrO2-Ta2O5/Ti anodes prepared with different surface pretreatments of Ti substrate
Pietron et al. Direct methanol oxidation at low overpotentials using Pt nanoparticles electrodeposited at ultrathin conductive RuO2 nanoskins
jiang Yang et al. Electrochemical behavior of PbO2 nanowires array anodes in a zinc electrowinning solution
Yoshinaga et al. Oxygen reduction behavior of rutile-type iridium oxide in sulfuric acid solution
EP3725746A1 (en) Manganese oxide for water decomposition catalysts, manganese oxide-carbon mixture, manganese oxide composite electrode material, and respective methods for producing these materials
Hassan et al. Electrodeposited Cu–CuO composite films for electrochemical detection of glucose
Melder et al. Carbon fibre paper coated by a layered manganese oxide: a nano-structured electrocatalyst for water-oxidation with high activity over a very wide pH range
Zhao et al. High-efficiency Ni–P catalysts in amorphous and crystalline states for the hydrogen evolution reaction
WO2015056485A1 (en) Carbon-supported catalyst
Al-Akraa et al. A promising amendment for water splitters: boosted oxygen evolution at a platinum, titanium oxide and manganese oxide hybrid catalyst
Lee et al. Porous fluorine-doped tin oxide as a promising substrate for electrochemical biosensors—demonstration in hydrogen peroxide sensing
Chen et al. Preparation and electrochemical properties of a novel porous Ti/Sn–Sb-RuO x/β-PbO 2/MnO 2 anode for zinc electrowinning
RU2487198C1 (en) Metal oxide electrode, method of making said electrode and use
Duca et al. Activation of nickel for hydrogen evolution by spontaneous deposition of iridium
Vasilyeva et al. Anodic-cathodic formation of pH-sensitive TiO2-MoOx films on titanium
KR20210113234A (en) Antimonate electrocatalyst for electrochemical reactions
Cui et al. Preparation of Ti/PbO2-ZrO2 composite anode for Zn electrowinnig
Jovic et al. Dimensionally stable anodes for the oxygen evolution reaction: Ruthenium dioxide on a nickel metal substrate
CN108274014A (en) It is a kind of that there is multiple branched Nanoalloy and preparation method thereof
KR100918845B1 (en) Method for preparation of CO3O4 thin films having mesoporous structure by electrochemical deposition and CO3O4 thin films prepared by the method
Kamada et al. Incorporation of oxide nanoparticles into barrier-type alumina film via anodic oxidation combined with electrophoretic deposition
Le Luu et al. Facile chemical bath deposition to fabricate RuO2 electrodes for electrochemical chlorine evolution
Huang Cu+ assisted preparation of mesoporous Pt-organic composites for highly selective and sensitive non-enzymatic glucose sensing

Legal Events

Date Code Title Description
PD4A Correction of name of patent owner
QB4A Licence on use of patent

Free format text: LICENCE

Effective date: 20170531

点击 这是indexloc提供的php浏览器服务,不要输入任何密码和下载