Наноразмерные эффекты металл-ионообменных композитов в электрохимическом восстановлении растворенного в воде кислорода

В работе получены нанокомпозиты, содержащие наночастицы металла (Cu) в макропористой сульфокатионообменной матрице. Исследованы процессы объемного химического осаждения металла в ионообменную матрицу нового поколения (Lewatit K2620), отличающуюся монопористой структурой, и получены различного нанометрового размера и содержания частицы металла на ее поверхности и в порах. Рентгенографически выявлено, что в основном частицы осажденного металла имеют наномасштабный размер. В зависимости от природы восстановителя (дитионит натрия, боргидрид натрия) и прекурсора (гидроксид натрия, аминоуксусная кислота) размеры частиц осажденного металла составляют в среднем от 10 до 32 нм. Микроскопически отмечено образование ассоциатов базовых частиц размером 100-300 нм. Содержание наночастиц металла (емкость нанокомпозита по металлу) находится в зависимости от числа циклов осаждения и составляет от 0.3 до 9.4 мэкв.см-3 для 1-10 циклов. Размер частиц несколько увеличивается (в 1.5-2 раза) с ростом числа циклов осаждения. Исследован процесс поглощения молекулярного кислорода из воды на катодно поляризованных зернистых слоях нанокомпозитов медь – сульфокатионообменник. С наложением тока катодного направления количество поглощенного кислорода возрастает, определенную долю составляет электрохимическая компонента: убыль кислорода происходит как за счет его восстановления током, так и за счет химического окисления наночастиц металла. Экспериментально показано, что концентрация кислорода на выходе из зернистого слоя и количество поглощенного кислорода проявляют зависимость от размерных факторов. В условиях электрохимической поляризации размерные факторы являются действенным инструментом интенсификации процесса восстановления кислорода. Снижение размера частиц металлического компонента закономерно соответствует росту скорости процесса в целом. Скорость процесса в зависимости от количества циклов осаждения металла возрастает, проявляя перколяционный эффект, определяющий тот предельный уровень содержания металлического компонента в нанокомпозите, при котором процесс становится максимально эффективен. При электрохимической поляризации процесс вытесняется из внутридиффузионно-химической области лимитирования во внешнедиффузионную, обеспечивающую более высокую скорость. В области допредельных токов процесс электровосстановления кислорода осложнен внутренней диффузией и химической реакцией, и, следовательно, закономерно зависит от размерных факторов.