Дисертації з теми "Cathodic reaction mechanism"

Kyoto University (京都大学)
0048
新制・課程博士
博士(人間・環境学)
甲第16947号
人博第590号
新制||人||141(附属図書館)
23||人博||590(吉田南総合図書館)
29622
京都大学大学院人間・環境学研究科相関環境学専攻
(主査)教授 内本 喜晴, 教授 杉山 雅人, 教授 田部 勢津久, 准教授 藤原 直樹, 准教授 雨澤 浩史
学位規則第4条第1項該当

Cyclopropyl-containing substrates have been frequently utilized as "probes" for the detection of SET pathways in organic and biorganic systems. These reactions are based on the cyclorpropylcarbinyl - homoallyl rearrangement, which is fast and essentially irreversible. The implicit assumption in such studies is that if a "radical" species is produced, it will undergo ring opening. We have found that there are two important factors to consider in the design of SET probes: 1) ring strain, the thermodynamic driving force for the rearrangement, and 2) resonance energy, which may help or hinder rearrangement, depending on the specific system. Delocalization of spin and charge were found to be important factors pertaining to substituent effects on the rates of radical anion rearrangements. Previous studies from our lab have centered on highly conjugated phenyl cyclopropyl ketones. This work considers a series of compounds varying in their conjugative components from a highly conjugated spiro[2.5]octa-4,7-dien-6-one and derivatives to simple aliphatic ketones. Utilizing cyclic, linear sweep voltammetry, and preparative electrolysis techniques, it was discovered that all substrates yielded ring opened products with rates and selectivities that will prove useful and informative in the design of mechanistic probes based on the cyclorpropylcarbinyl - homoallyl rearrangement. Rates of homogeneous electron transfer from a series of hydrocarbon mediators to substrates were measured using homogeneous catalysis techniques. Standard reduction potentials and reorganization energies of substrates were derived using Marcus theory. Conjugative interactions with the cyclopropyl group are discussed.
Ph. D.

In this study, we have developed a dense La0.85Sr0.15MnO3-δ (LSM) Ce0.9Gd0.1O1.95 (GDC) composite electrode system for studying the surface modification of cathodes. The LSM and GDC grains in the composite were well defined and distinguished using energy dispersive x-ray (EDX) analysis. The specific three-phase boundary (TPB) length per unit electrode surface area was systematically controlled by adjusting the LSM to GDC volume ratio of the composite from 40% up to 70%. The TPB length for each tested sample was determined through stereological techniques and used to correlate the cell performance and degradation with the specific TPB length per unit surface area. An overlapping spheres percolation model was developed to estimate the activity of the TPB lines on the surface of the dense composite electrodes developed. The model suggested that the majority of the TPB lines would be active and the length of those lines maximized if the volume percent of the electrolyte material was kept in the range of 47 57%. Additionally, other insights into the processing conditions to maximize the amount of active TPB length were garnered from both the stereology calculations and the percolation simulations. Steady-state current voltage measurements as well as electrochemical impedance measurements on numerous samples under various environmental conditions were completed. The apparent activation energy for the reduction reaction was found to lie somewhere between 31 kJ/mol and 41 kJ/mol depending upon the experimental conditions. The exchange current density was found to vary with the partial pressure of oxygen differently over two separate regions. At relatively low partial pressures, i0 had an approximately dependence and at relatively high partial pressures, i0 had an approximately dependence. This led to the conclusion that a change in the rate limiting step occurs over this range. A method for deriving the electrochemical properties from proposed reaction mechanisms was also presented. State-space modeling was used as it is a robust approach to addressing these particular types of problems due to its relative ease of implementation and ability to efficiently handle large systems of differential algebraic equations. This method combined theoretical development with experimental results obtained previously to predict the electrochemical performance data. The simulations agreed well the experimental data and allowed for testing of operating conditions not easily reproducible in the lab (e.g. precise control and differentiation of low oxygen partial pressures).

京都大学
新制・課程博士
博士(人間・環境学)
甲第23286号
人博第1001号
京都大学大学院人間・環境学研究科相関環境学専攻
(主査)教授 内本 喜晴, 教授 田部 勢津久, 教授 高木 紀明
学位規則第4条第1項該当
Doctor of Human and Environmental Studies
Kyoto University
DFAM

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.03 – Технічна електрохімія. – Національний технічний уні-верситет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2019. Дисертаційну роботу присвячено розробці технології електроосадження функціональних покривів сплавами заліза з кобальтом і молібденом з комплек-сних цитратних електролітів. За результатами аналізу іонних рівноваг і кінетичних закономірностей встановлено, що молібден відновлюється у сплав з ферумом та кобальтом до металевого стану з гетероядерних комплексів через утворення проміжних сполук як внаслідок катодної поляризації, так і ад-атомами водню за рахунок реалізації спілловер-ефекту. Варіювання режимів і параметрів електролізу дозволяє формувати композитні металоксидні покриви в системі ферум-кобальт-молібден інкорпорацію до складу металевої матриці оксидів молібдену, як інтермедіатів електродних реакцій. Обґрунтовано кількісний склад електроліту та режими нанесення покривів із заданим вмістом компонентів, морфологією, структурою та експлуатаційними характеристиками. Визначено оптимальні режими поляризації, застосування яких дозволяє отримувати бездефектні покриви. Корозійний опір покривів системи Fe–Co–Mo(МоОₓ) перевищує значення для сплавотвірних компонентів, а мікротвердість майже втричі вища за мікротвердість матеріалу основи та індивідуальних компонентів тернарної системи. Високу електрокаталітичну активність покривів виявлено в катодних реакціях виділення водню, яка внаслідок реалізації синергетичного ефекту вища порівняно із індивідуальними металами і зростає з вмістом молібдену, а активність покривів Fe–Co–Mo(МоОₓ) в анодних реакціях окиснення низькомолекулярних спиртів за густиною струмів анодних і катодних піків навіть вища, ніж на платині. Покриви є “магнітом’якими матеріали”, які можна застосовувати у виробництві магніто-оптичних інформаційних накопичувачів, а сенсорні властивості щодо окремих компонентів газових середовищ використано для створення чутливого елемента сенсора. Запропоновано технологічну схему електроосадження покривів Fe–Co–Mo(МоОₓ) залежно від їх практичного призначення.
Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in the speciality 05.17.03 – Technical еlectrochemistry. – National Technical University “Kharkiv Polytechnic Institute” Kharkiv, 2019. The dissertation is devoted to the development of technology for electrodeposition of functional coatings by alloys of iron with cobalt and molybdenum from complex citrate electrolytes. Based on the analysis of ionic equilibria and kinetic laws, it was found that molybdenum is converted into an alloy with iron and cobalt to a metallic state from heteronuclear complexes through the formation of intermediate spokes both as a result of cathodic polarization and as a result of the formation of hydrogen and hydrogen atoms. realize overflow effect. Changing the modes and parameters of electrolysis allows the formation of composite metal oxide coatings in iron-cobalt-molybdenum system by including a metal matrix of molybdenum oxide as an intermediate link of electrode reactions. The quantitative composition of the electrolyte and the modes of coating with a given content of components, morphology, structure and operational characteristics are justified. The optimal polarization modes are determined, the use of which allows one to obtain defect-free coatings. The corrosion resistance of the coatings of the Fe-Co-Mo(MoOₓ) system exceeds the value for the alloy components, and the microhardness is three times higher than the microhardness for steel and individual components of the ternary system. High electrocatalytic activity of the coatings was found in cathodic hydrogen evolution reactions, which, as a result of the synergistic effect, is higher than for individual metals, and grows with the molybdenum content and the activity of Fe-Co-Mo (MoOₓ). Coatings in the reactions of anodic oxidation of low molecular weight alcohols at a current density of the anodic and cathodic peaks are even higher than on a platinum electrode. The coatings turned out to be "soft magnetic materials" that can be used in the manufacture of magneto-optical information storage devices, and the sensory properties of individual components of gaseous media were used to create a sensitive element of the sensor. The technological scheme of electrodeposition of Fe-Co-Mo (MoOₓ) coatings is proposed, depending on their practical purpose.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.03 – Технічна електрохімія. – Національний технічний університет «Харківський політехнічний інститут», Харків, 2019. Дисертаційну роботу присвячено розробці гальванохімічної технології покривів тернарними сплавами і композитами системи ферум-кобальт-молібден з підвищеним рівнем функціональних властивостей на підставі гіпотези про інкорпорацію оксидів тугоплавких компонентів як інтермедіатів електродних реакцій, до складу металевої матриці. Обґрунтовано компонентний склад електроліту та співвідношення концентрацій сплавотвірних компонентів в системі ферум-кобальт-молібден і закономірності комплексоутворення в присутності цитрату, які склали підгрунтя до розробки електролітів для нанесення металевих і металооксидних покривів. Встановлено, що бездефектні покриви високої якості з вмістом молібдену понад 30 ат.% формуються з електролітів із концентрацією натрій цитрату 0,4−0,5 М та оксометалату 0,2 М. Доведено, що утворення гетероядерних комплексів є передумовою для гнучкого керування іонними рівновагами в розчині, а відтак, і механізмом та перенапругою електродних реакцій, перебіг яких підпорядковується закономірностям змішаної кінетики, про що свідчать і визначена енергія активації процесу. Відновлення молібдат-іону до металевої фази відбувається через утворення поверхневих оксидів проміжного ступеню окиснення. Залежно від повноти перебігу цього процесу створюються умови до формування металевого покриву тернарним сплавом або металоксидного композиту, друга фаза якого складається з оксидів молібдену в проміжному ступені окиснення, тобто утворюється безпосередньо в електродному процесі. Встановлено, що відновлення оксометалату може перебігати в декілька стадій − як за електрохімічним, так і хімічним механізмом за участю ад-атомів гідрогену, які утворюються в катодній реакції. Саме така особливість забезпечує варіативність катодного процесу та надає можливість гнучкого керування перебігом окремих стадій і складом та властивостями цільового продукту технологічного процесу. Головними чинниками, що забезпечують варіативність складу покривів, є режим поляризації – гальваностатичний або імпульсний, та амплітудні і часові параметри струму. За однакових густин струму застосування імпульсного електролізу дозволяє формувати покриви із значно вищим вмістом молібдену. Зокрема, за сталих тривалості імпульсу 10-20 мс та паузи 5–20 мс склад покривів збагачується молібденом до 30 ат. % при суттєво нижчому вмісті оксигену. Такі зміни у складі покриву порівняно з стаціонарним режимом зумовлені перебігом впродовж паузи хімічної реакції відновлення проміжних оксидів молібдену ад-атомами водню внаслідок реалізації спілловер-ефекту. Вища кількість фази оксидів в складі покривів тернарним сплавом, сформованих в гальваностатичному режимі, дає підстави класифікувати їх як композити. За однакового типу поляризації струмозалежними виявились не тільки вміст компонентів сплаву/композиту, а й морфологія поверхні осадів та вихід за струмом. В умовах стаціонарного електролізу вихід за струмом сплаву знаходиться в межах 56−62 %, а при застосуванні імпульсного електролізу ефективність процесу зростає до 61−70 % за рахунок внеску хімічної реакції відновлення оксидів молібдену ад–атомами водню. Розсіювальна здатність електроліту також залежить від густини струму і має екстремальний характер із максимумом у 62 % при і=2,5 А/дм². Отримані результати розсіювальної здатності узгоджуються із значеннями для відомих електролітів. Композитні Fe−Co−MoОₓ і металеві Fe−Co−Mo покриви мають дрібноглобулярну структуру поверхні, розвиненість якої зростає зі збільшенням густини струму, а характер і розмір кристалітів залежить від складу покривів і режимів електролізу. Так, для покривів Fe48Сo40Mo12, отриманих постійним струмом, середній розмір кристалітів становить 63 Ǻ, а для покриву Fe43Сo39Mo18, отриманому в імпульсному режимі, середній розмір кристалітів складає 56 Ǻ. Залежно від режимів електроосадження різниться і шорсткість поверхні – в гальваностатичному та імпульсному режимах параметр Ra для сплавів становить 0,15 і 0,11, відповідно, що характерно для 9–10 класів шорсткості. Синтезовані покриви мають широкий спектр фізико-хімічних і фізико-механічних властивостей з високим рівнем споживчих характеристик. Так, тестуванням корозійної тривкості встановлено, що за глибинним показником (0,018 – 0,02 мм/рік) покриви мають 4 бал стійкості за десятибальною шкалою, а ранжовані за густиною струму корозії є "стійкими" в кислому середовищі та "вельми стійкими" у нейтральному та лужному. Корозійну стійкість в кислому середовищі підвищує наявність молібдену через кислотний характер його оксидів, а в нейтральному і лужному середовищах покриви проявляють стійкість внаслідок пасивації феруму і кобальту. Вільна енергія поверхні металевих покривів і композитів в межах 118−128 мДж/м², що майже на порядок величини нижча за сплавотвірні компоненти, а поверхні композитів Fe−Co−MoОₓ нижча ніж сплаву Fe−Co−Mo завдяки вищому вмісту кисню в його структурі, внаслідок чого покриви композитами є хімічно стійкішими. Мікротвердість гальванічних покривів знаходиться в межах 595 – 630 кгс/мм² і є вищою, порівняно із сплавотвірними компонентами, а також в 2,5–3 рази більшою за сталеву основу. Мікротвердість осадів симбатно змінюється із вмістом молібдену і в інтервалі досліджених густин струму також зростає з підвищенням цього параметра. Результатами комплексних випробувань механічних характеристик доведено високу адгезію покривів до поверхні підкладки, стійкість до полірування, нагріву і зламу. Встановлено високу електрокаталітичну активність тернарного сплаву в анодних реакціях окиснення низькомолекулярних спиртів, а значення анодних і катодних піків струму на циклічних вольтамперограмах навіть вищі за платиновий електрод, тому гальванічні покриви сплавом Fe−Co−Mo можна розглядати як перспективні каталітичні матеріали паливних елементів. Високу електрокаталітичну активність покривів виявлено і в катодних реакціях виділення водню з лужних та кислих середовищ, яка внаслідок реалізації синергетичного ефекту вища порівняно із індивідуальними металами. Встановлено залежність між складом сплаву і каталітичними властивостями – більший вміст молібдену в цілому покращує якість покривів. Водночас, густина струму обміну реакції виділення водню на композитних покривах в усіх модельних розчинах вище, ніж для металевих, що узгоджується з результатами визначення виходу за струмом. Покривам притаманні магнітні властивості, а значення коерцитивної сили для покривів Fe−Co−Mo знаходиться в інтервалі 7−10 Ое, що перевищує значення для бінарного Fe−Co сплаву (6,5–7,2 Ое). Сплави Fe−Co−Mo, як "магнітом’які матеріали", можна застосовувати і у виробництві елементів магнітних інформаційних накопичувачів. Означений сплав виявляє сенсорні властивості щодо окремих компонентів газових середовищ та може бути використаний, зокрема, як матеріал чутливого елемента сенсора для визначення граничної концентрації водню. На підставі визначених кінетичних характеристик і технологічних струмозалежних параметрів створено програмний і технологічний модулі і запропоновано варіативну технологічну схему нанесення покривів Fe−Co−Мо(МоОₓ) керованого складу та прогнозованими фізико-механічними і фізико-хімічними властивостями. За результатами дослідно-промислових випробувань виробів та елементів обладнання з покривами тернарними сплавами на ПАТ "Укрндіхіммаш" та в Метрологічному центрі військових еталонів Збройних Сил України доведено високий рівень експлуатаційних характеристик синтезованих покривів та ефективність технології їх нанесення. Результати досліджень впроваджені в навчальний процес кафедри фізичної хімії НТУ "ХПІ" і Військового інституту танкових військ НТУ "ХПІ".
Thesis for the degree of Candidate of Technical Sciences in the speciality 05.17.03 – Technical Electrochemistry. – National Technical University «Kharkiv Polytechnic Institute» Kharkiv, 2019. The component composition of the electrolyte and the ratio of the concentrations of the alloys forming components in the ferum-cobalt-molybdenum system and the regularities of the complex formation in the presence of citrate, which became the basis for the development of electrolytes for metal deposition and metal oxide coatings are substantiated. It was found that high-quality coatings with a molybdenum content of more than 30 at.% Are formed from electrolytes with a concentration of sodium citrate of 0,4 – 0,5 М and oxometalate of 0,2 М. It is proved that the formation of heteronuclear complexes is a prerequisite for the flexible control of ionic equilibria in solution, the mechanism and overvoltage of electrode reactions, the course of which obeys the laws of mixed kinetics, which is confirmed and determined by the activation energy of the process. The reduction of the molybdate ion to the metal phase occurs by the formation of surface oxides of an intermediate oxidation state. Depending on the completeness of the course of this process, conditions are created for the formation of a metal coating of a ternary alloy or a metal oxide composite, the second phase of which consists of molybdenum oxides in an intermediate oxidation state, that is, is formed directly in the electrolysis process. The reduction of oxometalate can occur in several stages using both the electrochemical and chemical mechanisms, which include hydrogen ad-atoms and atoms that are formed in the cathodic reaction. It is this feature that provides the variability of the cathode process and allows flexible control of the stages, as well as the composition and properties of the product of the technological process. The main factors ensuring variability of the coating composition are polarization modes — galvanostatic and pulsed modes, and amplitude and time parameters of the current. At the same current densities, the use of pulsed electrolysis allows the formation of coatings with a significantly higher molybdenum content. In particular, with a constant pulse duration of 10–20 ms and pauses of 5–20 ms, the composition of the shells is enriched in molybdenum to 30 at.% With a significantly lower oxide content. Such changes in the composition of the coating compared with the stationary regime are due to the chemical reaction of the reduction of intermediate molybdenum oxides by hydrogen atoms as a result of the overflow effect. The higher content of the oxide phase in the composition of tournament alloys formed in the galvanostatic mode allows us to classify them as composites. With the same polarization mode, the parameters depending on the current are determined not only by the content of the components of the alloy or composite, but also by the morphology of the coating surface and the current efficiency. Under the conditions of stationary electrolysis, the efficiency of the alloy is in the range 56−62 %, and when using pulsed electrolysis, the efficiency of the process increases to 61–70 % due to the chemical reaction of the reduction of molybdenum oxides. hydrogen atoms of hydrogen. The dissipated ability of the electrolyte also depends on the current density and is extreme in nature with a maximum of 62% at i = 2.5 A/dm². Dissipation results are consistent with known electrolytes. Composite coatings Fe−Co−MoOₓ and metallic coatings Fe−Co−Mo have a fine-crystalline structure, surface development increases with increasing current density, and the nature and size of crystallites depends on the composition of the coatings and electrolysis conditions. So for Fe48Co40Mo12 coatings obtained by direct current, the average crystallite size is 63 Ǻ, and for Fe43Co39Mo18 coatings obtained in a pulsed mode, the average crystallite size is 56 Ǻ. Depending on the electrodeposition modes, the surface roughness also varies - in the galvanostatic and pulsed modes, the parameter Ra for the alloys is 0,15 and 0,11, respectively, which corresponds to grades 9-10. The synthesized coatings have a range of physico-chemical and physico-mechanical properties with a high level of performance. Thus, corrosion resistance testing shows that the depth of the index (0,018 – 0,02 mm/year) coatings are characterized as 4 points of resistance on a ten-point scale, and ranked according to the density of the corrosion current is "stable" in acidic solutions and "very stable" in neutral and alkaline solutions. Corrosion resistance to the acid solutions increases the presence of molybdenum through the acidic nature of its oxides, and in neutral and alkaline solutions the covers exhibit resistance due to passivation of iron and cobalt. The free energy of the surface of metal coatings and composites is in the range of 118-128 mJ/m², which is almost an order of magnitude lower than the alloys of the component and the surfaces of the Fe−Co−MoOₓ composites lower than the Fe−Co−Mo alloy due to the higher oxygen content in its structure. , causing the composites to be chemically stable. The microhardness of galvanic coatings is in the range of 595–630 kgf/mm² depending on the individual components and is 2,5–3 times higher than for steel. The microhardness of the coatings increases symbatically with an increase in the amount of molybdenum in the alloy and also increases with an increase in this parameter in the integral of current densities. The high adhesion of the coatings to the surface of the steel, resistance to polishing, heating and kink is established. The high electrocatalytic activity of ternary alloys in the reactions of anodic oxidation of low molecular weight alcohols was established, and the magnitude of the peaks of the anodic and cathodic currents in the cyclic voltammogram is even higher than that of the platinum electrode, so galvanic coatings with Fe−Co−Mo alloy can be considered a promising catalytic material for fuel cells. High electrocatalytic activity of the skin was also detected in cathodic reactions of hydrogen evolution from alkaline and acidic media, which is higher as a result of the synergistic effect compared to individual metals. A connection was established between the alloy composition and catalytic properties – a higher molybdenum content usually improves the quality of coatings. At the same time, the exchange current density of the hydrogen evolution reaction on composite coatings in all model solutions is higher than for metal coatings, which is consistent with the results of determining the current efficiency. The coatings have magnetic properties, and the value of the coercive force for Fe—Co−Mo coatings is in the range of 7-10 Oe, which is higher than the value for the Fe−Co alloy (6,5-7,2 Oe). Fe−Co−Mo alloys are "Magnetic materials" and can be used in the production of magnetic information storage elements. The alloy has sensory properties on the individual components of the gas environment and can be used, in particular, as a sensor material of the sensor to determine the maximum hydrogen concentration. Based on kinetic characteristics and technological parameters, software and technological module have been created and a variable technological scheme for applying Fe−Co−Mo(MoOₓ) coatings of controlled composition and predicted physicomechanical and physicochemical properties has been proposed. According to the results of tests and elements of equipment coated with ternary alloys at PJSC "Ukrndikhimmash" and at the Metrological center of military standards of the Armed Forces of Ukraine, a high level of operational characteristics of the synthesized coatings and the effectiveness of the technology for their synthesis have been proved. The research results were introduced into the educational process of the Department of Physical Chemistry NTU "KhPI" and the Military Institute of Tank Troops NTU "KhPI".

京都大学
新制・課程博士
博士(人間・環境学)
甲第23288号
人博第1003号
京都大学大学院人間・環境学研究科相関環境学専攻
(主査)教授 内本 喜晴, 教授 高木 紀明, 教授 中村 敏浩
学位規則第4条第1項該当
Doctor of Human and Environmental Studies
Kyoto University
DFAM

Kyoto University (京都大学)
0048
新制・課程博士
博士(人間・環境学)
甲第21876号
人博第905号
新制||人||216(附属図書館)
2018||人博||905(吉田南総合図書館)
京都大学大学院人間・環境学研究科相関環境学専攻
(主査)教授 内本 喜晴, 教授 田部 勢津久, 教授 吉田 鉄平
学位規則第4条第1項該当

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.17.03 – технічна електрохімія. – Національний технічний університет “Харківський політехнічний інститут”, Харків, 2015 р. Дисертацію присвячено розробці технології електрохімічного формування функціональних покриттів сплавами заліза з молібденом і вольфрамом із цитратних електролітів для одержання матеріалів з високою корозійною стійкістю, фізико-механічними та трибологічними характеристиками. На підставі аналізу кінетичних закономірностей встановлено механізм електрохімічного одержання сплавів Fe-Mo і Fe-Mo-W, за яким співосадження заліза з молібденом і вольфрамом із цитратного електроліту в інтервалі pH 3,0–4,0 відбувається за двома маршрутами: перший – стадійне відновлення металів із гетероядерних комплексів складу [FeHCitMO₄]⁻, (М = Mo, W), розряд яких супроводжується хімічною реакцією вивільнення ліганду, а другий – стадійне відновлення феруму (ІІІ) із цитратних електролітів переважно з адсорбованих комплексів складу [FeHCit]⁺, й частково – з FeOH²⁺, та супроводжується хімічною стадією вивільнення ліганду. Експериментальні дослідження функціональних властивостей електролітичних сплавів довели, що покриття Fe-Mo і Fe-Mo-W володіють підвищеною корозійною стійкістю у кислому середовищі, що зумовлене кислотним характером оксидів тугоплавких компонентів, у нейтральному – опором пітинговій корозії, що загалом перевищує хімічний опір сталі та чавуна. Запропоновані електролітичні сплави переважають за мікротвердістю основу зі сталі у 2–3 рази, а чавуну – у 4–5 рази, причому вміст вольфраму забезпечує зростання механічних та триботехнічних характеристик. Мікротвердість, антифрикційні властивості та зносостійкість електролітичних сплавів Fe-Mo і Fe-Mo-W зростають за рахунок утворення аморфної структури. Запропоновано технологічну схему електрохімічного формування функціональних покриттів сплавами заліза з молібденом і вольфрамом та розроблено технологічні інструкції для процесів їх осадження.
Thesis for granting the Degree of Candidate of Technical sciences in speciality 05.17.03 – Technical Electrochemistry. – National Technical University “Kharkiv Politechnical Institute”, 2015. The thesis is devoted to the development of technology for iron alloys electrochemical functional coatings with molybdenum and tungsten electrodeposition from citrate electrolyte to produce materials with high corrosion resistance, physical, mechanical and tribological properties. On the basis of kinetic regularities the mechanism of Fe-Mo, Fe-Mo-W alloys’ formation was established as co-precipitation of iron with molybdenum and tungsten in the range pH 3,0–4,0 happening on two routes, one-alloying metals reduction from heteronuclear complexes [FeHCitMO₄]⁻ is accompanied by chemical reaction of ligand releasing, and the second-reduction of iron (III) from the adsorbed complexes [FeHCit]⁺ and in part – from FeOH²⁺ accompanied by the chemical stage of ligand release. Experimental study of the electrolytic alloys functional properties have shown the high corrosion resistance of FeMo and Fe-Mo-W coatings in acidic and neutral media stimulated by acidic nature of refractory oxide components which exceeds the resistance of steel and cast iron. Proposed electrolytic alloys dominated by microhardness steel substrates in 2–3 times, and cast iron – in 4–5 times, the increasing tungsten content provides increasing in physical, mechanical and tribological properties of electrolytic alloys due to the formation of amorphous structure. A technological scheme for electrochemical synthesis of iron alloys functional coatings with molybdenum and tungsten was designed and technological instructions were prepared for implementation.

碩士
國立臺灣師範大學
化學系
103
Efficient electrical energy storage has attracted intense attention due to power demend in next generation of electric vehicles and stationary applications. Rechargeable battery has viewed as good approach for energy storage. To aspire the higher energy density than traditional lithium ion battery used wildly, room temperature sodium-sulfur batteries (RT Na-S batteries) are especially attractive because of their high specific energy. In this thesis, a iron pyrite FeS2 material was investigated as sulfur source in the cathode electrode of RT Na-S battery. We found that iron disulfide as cathode materials (FeS2/Na-S battery) exhibited first discharge and charge capacity of 1360 mAhg-1 and 1086 mAhg-1 at a current density of 50 mAg-1 with a suitable electrolyte and potential range. The irreversible capacity at first cycle is approximately 20%. The capacity of FeS2 still remained 745 mAh g-1 after 50th cycles. During rapid charge - discharge test, FeS2/Na-S battery showed a high capacity of 520 mAh g-1 at a current density of 8920 mAg-1. In the detailed characterization by Raman and X-ray absorption spectra, we found that No polysulfide was formed by sulfur in FeS2 reacting with sodium and dissolved in electrolyte, resulting in remaining good capacity retention. Overall results indicated that The FeS2 cathode materials used in RT Na-S battery exhibited long cycle performance, high Coulombic efficiency and good capacity retention at high charge-discharge rate.

博士
國立臺灣科技大學
化學工程系
107
Energy production and its storage are vital for the economic growth of the society. Consequently, the scientific communities are intended to develop alternatives, green, and renewable energy. Hydrogen is one of the most attractive and environmentally benign energy. Its production electrochemically from water at lowest overpotential is one of a research area and many research efforts have been made. Platinum (Pt) and its alloys are the state of- the-art electrocatalysts for the hydrogen evolution at lower overpotential relatively. However, its shortage and high cost mainly limit its applications. Recently, scholars are striving to replace the precious Pt electrocatalysts with the earth-abundant and inexpensive transition metal of sulfides, selenides, nitrides, and phosphides. Non noble materials toward hydrogen evolution reaction (HER) are fundamental for practical implementation; however they are unable to produce high current density at lower overpotential as Pt metals. Now a day, 2D transition metal dichalcogenides (TMDs) are main research interest because of their activity and stability in applications of catalysis. Three approaches have been conducted in this research. In our first approach, immobilized single molecular MoS2 electrocatalyst on the surface of carbonized polyacrylonitrile (cPAN) was fabricated. It exhibits high catalysis toward HER. A single molecular MoS2 was prepared on the cPAN surface through electrochemical reaction of sulfur polyacrylonitrile (SPAN) with Li metal to form Li2S-cPAN. Then, the immobilized single molecular MoS2 on the surface of cPAN was formed after Li2S-cPAN reacting with Mo ions. The immobilized single MoS2 has no metal-metal scattering on the EXAFS spectra and it has a size of 1.31 nm. A low coordination number and maximum utilization of a single MoS2 molecule surface enable MoS2-cPAN to demonstrate electrochemical performance significantly better than that of bulk MoS2 by two orders of exchange current density (jo) and turnover frequency at the hydrogen evolution reaction. The second approach demonstrated the increasing of exchange current density by incorporating the transition metal atoms to MoS2 nanofilms composite by induces extra active site or asymmetric charge transfer. Herein, the MoSx- cPAN/Cu mesh electrocatalyst is prepared by the deposition of SPAN and Mo atoms on the surface of Cu mesh via deep coating and electrochemical techniques, respectively. Then, it is treated at 700 oC under inert atmosphere. The as prepared MoSx-cPAN/Cu mesh electrocatalyst able to produce 100 mA/cm2 at 350 mV. The activity is attributed from the formation of CuS as a matrix in addition to high vacancy of 4d orbital of Mo atom. In third approach, we studied the mechanism of hydrogen oxidation reaction using in situ Raman technique. The mechanisms for the reactions of the working principles in the AEMFC are not clearly understood yet. Understanding the mechanisms of HER/HOR is important to design appropriate catalyst for hydrogen evolution/oxidation reactions. Thus, herein we proposed universal mechanism of HOR in basic media using in situ Raman technique. From the spectra of in situ Raman, an adsorbed OH- species on Pt surface have been found at all applied potential and the amounts of adsorbed OH- (OHad) are increased with potentials. The rate of chemical reaction at equilibrium and the mechanism of hydrogen oxidation reaction have been proposed on Pt/C electrode from the data of adsorbed hydroxyl (OHad) species

博士
國立中山大學
材料與光電科學學系研究所
104
BaZr0.1Ce0.7Y0.1Yb0.1O3-δ (BZCYYb) is a proton conductor while PBC (Pr0.5Ba0.5CoO3-δ) is a mixed oxygen ion and electronic conductor with high oxygen surface reaction rate and diffusivity. In this study, PBC/BZCYYB/PBC symmetrical cells are prepared by screen printing. By varying calcination temperature and thickness of PBC cathodes, optimum values for lowest cathode resistances are determined. Composite cathodes are first prepared by powder mixing and screen printing to obtain BZCYYb-PBC/BZCYYb/BZCYYb-PBC and BZPY (BaZr0.5Pr0.3Y0.2O3-δ)–PBC /BZCYYb/ BZPY–PBC symmetrical cells where BZCY is a mixed conductor of proton and electrons. Results of impedance measurement indicate that BZPY-PBC possesses lower cathode resistances. Moreover, new infiltration type composite cathodes are also prepared using BZPY as backbone and PBC as infiltrate coating. Impedance measurement of cathode/BZPYYb/cathode symmetrical cells indicates that lowest cathode resistances are reached when weight of PBC loading is equal to that of BZPY backbone. AC impedance measurement of symmetrical cells are also carried out under different temperatures, oxygen pressures (pO2 = 0.2-10-4 atm) and vapor pressures (pH2O = 0.03-0.15 atm). Measured Nyquist plots are fitted using Auto Lab Nova 1.09. Each spectrum is de-convoluted to high, medium and low frequency arcs. Variation of fitted parameters for each arc including interfacial resistance R, reaction order of oxygen n (R-1 (pO2)n), reaction order of vapor m (R-1 (pH2O)m), capacitance C and activation energy Ea are examined to determine the rate determining steps of oxygen reduction reaction (ORR) for single phase PBC cathode and PBC infiltrated BZPY composite cathode. Finally, single cells with PBC and PBC infiltrated BZPY cathodes are prepared. The NiO-BZCYYb/BZCYYb half cells are prepared by tape-casting method. Power densities, open circuit voltages (OCV) and electrode resistances under OCV are measured. Results indicate that PBC/BZCYYb/PBC cell possesses lowest cathode resistances when PBC cathode is calcined at 1100°C and 40 m thick. Specifically, 0.085 and 9.2 Ω‧cm2 are obtained at 650oC and 400oC, respectively. For PBC infiltrated BZPY cathodes, lowest cathode resistances are reached when PBC and BZPY are equal in weight. Resistances of 0.075 and 3.7 Ω‧cm2 are obtained at 650oC and 400oC, respectively. Results of fitting of impedance spectra obtained under various temperatures, oxygen pressures, and vapor pressures indicate the multiple rate determining steps of ORR in single phase PBC cathode are: (1) surface reaction including oxygen adsorption, subsequent reduction and incorporation of the oxygen ion into the cathode interior; (2) a much minor cathode polarization originates from the dissipation of water formed in the electrolyte-cathode interface; (3) oxygen gas diffusion is the dominate rate determining step under temperature≧550°C and oxygen pressure≦0.001 atm. For PBC infiltrated BZPY cathode, the rate determining steps are: (1) adsorption of oxygen when temperature≧550°C; (2) oxygen gas diffusion when temperature≧550°C and oxygen pressure≦0.0001 atm; (3) dissipation of water formed in the backbone-infiltrate interface when temperature≦500°C; (4) oxygen adsorption, subsequent reduction and water dissipation when temperature≦400°C. Peak power density and electrode resistance are 1559 mW/cm2 and 0.01 Ω‧cm2 at 750oC for the single cell with PBC cathode, corresponding values are 191 mW/cm2 and 0.73 Ω‧cm2 at 400°C. For the single cell with PBC infiltrated BZPY cathode, these values are 1601 mW/cm2 and 9.8 x 10-3 Ω‧cm2 at 750°C and 387 mW/cm2 and 0.2 Ω‧cm2 at 400°C. Therefore, infiltration type cathode enhances cell performance significantly, especially in lower temperatures.