Дослідження механизму формування гідроксиду нікелю при осадженні із нитрату нікеля
DOI:
https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.272673Ключові слова:
гідроксид нікелю, нітрат нікелю, двохступеневий механізм формування, α-модифікація, нітрат-допованний гидроксид нікеля, первинний осад, потенціометрія, кондуктометріяАнотація
Гідроксиди нікелю широко використовується як електрохімічно активні речовини в лужних акумуляторах, гібридних суперконденсаторах, для електрокаталізу, в електрохімічних сенсорах, а також як пігменти. Для розробки та оптимізації методів цілеспрямованого синтезу необхідні знання механізму утворення гідроксидів нікелю. Теплові ефекти процесів при формуванні гідроксиду нікелю із нітрату вивчено методом калориметрії. Механізм формування осаду досліджено методом одночаного потенціометричного (зі скляним універсальним електродом) та кондуктометричного титрування. Вміст нікелю в зразках, отриманих при визначених співвідношеннях NaOH/Ni2+, досліджено хімічним методом трилономерії після попередньо розчинення.
Калориметричними дослідженнями показано, що реакція нітрату нікелю з NaOH є екзотермічною із ΔНреакц=‒28328,5 Дж/моль. Виявлено екзотермічний характер процесу розбавлення NaOH із ΔНрозбавл=‒2454 Дж/моль.
За результатами потенціометричного титрування не виявлено утворення основної солі типу NiOHNO3. Аналіз результатів кондуктометричного титрування дозволив встановити двоступеневий хімічний механізм формування гідроксиду нікелю із нітрату. На першому ступені, який має високу швидкість, за рахунок рідкофазної реакції катіона нікелю із гідроксил аніоном формується первинний осад складу Ni(OH)1.87(NO3)0,13. На другому ступені в результаті повільної топохімічної реакції первинного осаду із гідроксил-аніонами відбувається витіснення нітрат-іонів із осаду із формуванням гідроксиду нікелю. Ці дані підтверджені аналізом осадів, отриманих при співвідношеннях NaOH/Ni2+ 1,87 та 2,2: вміст Ni дорівнює 52,95 % та 55,63 % та відповідає формулам Ni(OH)1.87(NO3)0,13∙0,68H2O та Ni(OH)2∙0,71H2O. Це чітко вказує на те, що первинний осад є нітрат-допованим α-Ni(OH)2, а кінцевий осадок відповідає α-модифікації гідроксиду нікелю
Посилання
- Hall, D. S., Lockwood, D. J., Bock, C., MacDougall, B. R. (2015). Nickel hydroxides and related materials: a review of their structures, synthesis and properties. Proceedings of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences, 471 (2174), 20140792. doi: https://doi.org/10.1098/rspa.2014.0792
- Vidotti, M., Torresi, R., Torresi, S. I. C. de (2010). Nickel hydroxide modified electrodes: a review study concerning its structural and electrochemical properties aiming the application in electrocatalysis, electrochromism and secondary batteries. Química Nova, 33 (10), 2176–2186. doi: https://doi.org/10.1590/s0100-40422010001000030
- Chen, J., Bradhurst, D. H., Dou, S. X., Liu, H. K. (1999). Nickel Hydroxide as an Active Material for the Positive Electrode in Rechargeable Alkaline Batteries. Journal of The Electrochemical Society, 146 (10), 3606–3612. doi: https://doi.org/10.1149/1.1392522
- Sun, Y.-K., Lee, D.-J., Lee, Y. J., Chen, Z., Myung, S.-T. (2013). Cobalt-Free Nickel Rich Layered Oxide Cathodes for Lithium-Ion Batteries. ACS Applied Materials & Interfaces, 5 (21), 11434–11440. doi: https://doi.org/10.1021/am403684z
- Lang, J.-W., Kong, L.-B., Liu, M., Luo, Y.-C., Kang, L. (2009). Asymmetric supercapacitors based on stabilized α-Ni(OH)2 and activated carbon. Journal of Solid State Electrochemistry, 14 (8), 1533–1539. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-009-0984-1
- Lang, J.-W., Kong, L.-B., Wu, W.-J., Liu, M., Luo, Y.-C., Kang, L. (2008). A facile approach to the preparation of loose-packed Ni(OH)2 nanoflake materials for electrochemical capacitors. Journal of Solid State Electrochemistry, 13 (2), 333–340. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-008-0560-0
- Aghazadeh, M., Ghaemi, M., Sabour, B., Dalvand, S. (2014). Electrochemical preparation of α-Ni(OH)2 ultrafine nanoparticles for high-performance supercapacitors. Journal of Solid State Electrochemistry, 18 (6), 1569–1584. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-014-2381-7
- Zheng, C., Liu, X., Chen, Z., Wu, Z., Fang, D. (2014). Excellent supercapacitive performance of a reduced graphene oxide/Ni(OH)2 composite synthesized by a facile hydrothermal route. Journal of Central South University, 21 (7), 2596–2603. doi: https://doi.org/10.1007/s11771-014-2218-7
- Wang, B., Williams, G. R., Chang, Z., Jiang, M., Liu, J., Lei, X., Sun, X. (2014). Hierarchical NiAl Layered Double Hydroxide/Multiwalled Carbon Nanotube/Nickel Foam Electrodes with Excellent Pseudocapacitive Properties. ACS Applied Materials & Interfaces, 6 (18), 16304–16311. doi: https://doi.org/10.1021/am504530e
- Kotok, V., Kovalenko, V. (2017). The properties investigation of the faradaic supercapacitor electrode formed on foamed nickel substrate with polyvinyl alcohol using. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (88)), 31–37. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.108839
- Alshareef, S. F., Alhebshi, N. A., Almashhori, K., Alshaikheid, H. S., Al-hazmi, F. (2022). A Ten-Minute Synthesis of α-Ni(OH)2 Nanoflakes Assisted by Microwave on Flexible Stainless-Steel for Energy Storage Devices. Nanomaterials, 12 (11), 1911. doi: https://doi.org/10.3390/nano12111911
- Wang, Y., Zhang, D., Peng, W., Liu, L., Li, M. (2011). Electrocatalytic oxidation of methanol at Ni–Al layered double hydroxide film modified electrode in alkaline medium. Electrochimica Acta, 56 (16), 5754–5758. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2011.04.049
- Huang, W., Li, Z. L., Peng, Y. D., Chen, S., Zheng, J. F., Niu, Z. J. (2005). Oscillatory electrocatalytic oxidation of methanol on an Ni(OH)2 film electrode. Journal of Solid State Electrochemistry, 9 (5), 284–289. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-004-0599-5
- Yu, X., Hua, T., Liu, X., Yan, Z., Xu, P., Du, P. (2014). Nickel-Based Thin Film on Multiwalled Carbon Nanotubes as an Efficient Bifunctional Electrocatalyst for Water Splitting. ACS Applied Materials & Interfaces, 6 (17), 15395–15402. doi: https://doi.org/10.1021/am503938c
- Fan, Y., Yang, Z., Cao, X., Liu, P., Chen, S., Cao, Z. (2014). Hierarchical Macro-Mesoporous Ni(OH)2for Nonenzymatic Electrochemical Sensing of Glucose. Journal of The Electrochemical Society, 161 (10), B201–B206. doi: https://doi.org/10.1149/2.0251410jes
- Miao, Y., Ouyang, L., Zhou, S., Xu, L., Yang, Z., Xiao, M., Ouyang, R. (2014). Electrocatalysis and electroanalysis of nickel, its oxides, hydroxides and oxyhydroxides toward small molecules. Biosensors and Bioelectronics, 53, 428–439. doi: https://doi.org/10.1016/j.bios.2013.10.008
- Kovalenko, V., Kotok, V., Yeroshkina, A., Zaychuk, A. (2017). Synthesis and characterisation of dyeintercalated nickelaluminium layereddouble hydroxide as a cosmetic pigment. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (89)), 27–33. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.109814
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2020). Bifuctional indigocarminintercalated NiAl layered double hydroxide: investigation of characteristics for pigment and supercapacitor application. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (12 (104)), 30–39. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2020.201282
- Kotok, V., Kovalenko, V. (2018). A study of the effect of tungstate ions on the electrochromic properties of Ni(OH)2 films. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (12 (95)), 18–24. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.145223
- Kotok, V. A., Kovalenko, V. L. (2019). Non-Metallic Films Electroplating on the Low-Conductivity Substrates: The Conscious Selection of Conditions Using Ni(OH)2 Deposition as an Example. Journal of The Electrochemical Society, 166 (10), D395–D408. doi: https://doi.org/10.1149/2.0561910jes
- Кovalenko, V., Kotok, V., Bolotin, O. (2016). Definition of factors influencing on Ni(OH)2 electrochemical characteristics for supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (6 (83)), 17–22. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2016.79406
- Ramesh, T. N., Kamath, P. V., Shivakumara, C. (2005). Correlation of Structural Disorder with the Reversible Discharge Capacity of Nickel Hydroxide Electrode. Journal of The Electrochemical Society, 152 (4), A806. doi: https://doi.org/10.1149/1.1865852
- Zhao, Y., Zhu, Z., Zhuang, Q.-K. (2005). The relationship of spherical nano-Ni(OH)2 microstructure with its voltammetric behavior. Journal of Solid State Electrochemistry, 10 (11), 914–919. doi: https://doi.org/10.1007/s10008-005-0035-5
- Jayashree, R. S., Kamath, P. V., Subbanna, G. N. (2000). The Effect of Crystallinity on the Reversible Discharge Capacity of Nickel Hydroxide. Journal of The Electrochemical Society, 147 (6), 2029. doi: https://doi.org/10.1149/1.1393480
- Jayashree, R. S., Kamath, P. V. (1999). Factors governing the electrochemical synthesis of α-nickel (II) hydroxide. Journal of Applied Electrochemistry, 29 (4), 449–454. doi: https://doi.org/10.1023/a:1003493711239
- Kotok, V., Kovalenko, V. (2019). Definition of the influence of obtaining method on physical and chemical characteristics of Ni (OH)2 powders. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (12 (97)), 21–27. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.156093
- Ramesh, T. N., Kamath, P. V. (2006). Synthesis of nickel hydroxide: Effect of precipitation conditions on phase selectivity and structural disorder. Journal of Power Sources, 156 (2), 655–661. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2005.05.050
- Rajamathi, M., Vishnu Kamath, P., Seshadri, R. (2000). Polymorphism in nickel hydroxide: role of interstratification. Journal of Materials Chemistry, 10 (2), 503–506. doi: https://doi.org/10.1039/a905651c
- Rajamathi, M., Subbanna, G. N., Kamath, P. V. (1997). On the existence of a nickel hydroxide phase which is neither α nor β. Journal of Materials Chemistry, 7 (11), 2293–2296. doi: https://doi.org/10.1039/a700390k
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Anionic carbonate activation of layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (6 (99)), 44–52. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.169461
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Influence of the carbonate ion on characteristics of electrochemically synthesized layered (α+β) nickel hydroxide. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (6 (97)), 40–46. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.155738
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2017). Definition of effectiveness of β-Ni(OH)2 application in the alkaline secondary cells and hybrid supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (6 (89)), 17–22. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.110390
- Li, J., Luo, F., Tian, X., Lei, Y., Yuan, H., Xiao, D. (2013). A facile approach to synthesis coral-like nanoporous β-Ni(OH) 2 and its supercapacitor application. Journal of Power Sources, 243, 721–727. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.05.172
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Influence of ultrasound and template on the properties of nickel hydroxide as an active substance of supercapacitors. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 3 (12 (93)), 32–39. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.133548
- Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Sykchin, A., Ananchenko, B. A., Chernyad’ev, A. V., Burkov, A. A. et al. (2020). Al3+ Additive in the Nickel Hydroxide Obtained by High-Temperature Two-Step Synthesis: Activator or Poisoner for Chemical Power Source Application? Journal of The Electrochemical Society, 167 (10), 100530. doi: https://doi.org/10.1149/1945-7111/ab9a2a
- Chen, L., Yang, X., Tian, Y., Wang, Y., Zhao, X., Lei, X., Zhang, F. (2022). Fabrication of β-Ni(OH)2 Particles by Alkaline Etching Layered Double Hydroxides Precursor for Supercapacitor. Frontiers in Energy Research, 9. doi: https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.810568
- Hu, M., Yang, Z., Lei, L., Sun, Y. (2011). Structural transformation and its effects on the electrochemical performances of a layered double hydroxide. Journal of Power Sources, 196 (3), 1569–1577. doi: https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2010.08.041
- Córdoba de Torresi, S. I., Provazi, K., Malta, M., Torresi, R. M. (2001). Effect of Additives in the Stabilization of the α Phase of Ni(OH)[sub 2] Electrodes. Journal of The Electrochemical Society, 148 (10), A1179. doi: https://doi.org/10.1149/1.1403731
- Zhang, Z., Zhu, Y., Bao, J., Zhou, Z., Lin, X., Zheng, H. (2012). Structural and electrochemical performance of additives-doped α-Ni(OH)2. Journal of Wuhan University of Technology-Mater. Sci. Ed., 27 (3), 538–541. doi: https://doi.org/10.1007/s11595-012-0500-9
- Sugimoto, A., Ishida, S., Hanawa, K. (1999). Preparation and Characterization of Ni/Al‐Layered Double Hydroxide. Journal of The Electrochemical Society, 146 (4), 1251–1255. doi: https://doi.org/10.1149/1.1391754
- Zhen, F. Z., Quan, J. W., Min, Y. L., Peng, Z., Jun, J. L. (2004). A study on the structure and electrochemical characteristics of a Ni/Al double hydroxide. Metals and Materials International, 10 (5), 485–488. doi: https://doi.org/10.1007/bf03027353
- Liu, B., Wang, X. Y., Yuan, H. T., Zhang, Y. S., Song, D. Y., Zhou, Z. X. (1999). Physical and electrochemical characteristics of aluminium-substituted nickel hydroxide. Journal of Applied Electrochemistry, 29, 853–858. doi: https://doi.org/10.1023/a:1003537900947
- Caravaggio, G. A., Detellier, C., Wronski, Z. (2001). Synthesis, stability and electrochemical properties of NiAl and NiV layered double hydroxides. Journal of Materials Chemistry, 11 (3), 912–921. doi: https://doi.org/10.1039/b004542j
- Li, Y. W., Yao, J. H., Liu, C. J., Zhao, W. M., Deng, W. X., Zhong, S. K. (2010). Effect of interlayer anions on the electrochemical performance of Al-substituted α-type nickel hydroxide electrodes. International Journal of Hydrogen Energy, 35 (6), 2539–2545. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2010.01.015
- Zhao, Y. (2004). Al-substituted α-nickel hydroxide prepared by homogeneous precipitation method with urea. International Journal of Hydrogen Energy, 29 (8), 889–896. doi: https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2003.10.006
- Lei, L., Hu, M., Gao, X., Sun, Y. (2008). The effect of the interlayer anions on the electrochemical performance of layered double hydroxide electrode materials. Electrochimica Acta, 54 (2), 671–676. doi: https://doi.org/10.1016/j.electacta.2008.07.004
- Faour, A., Mousty, C., Prevot, V., Devouard, B., De Roy, A., Bordet, P. et al. (2012). Correlation among Structure, Microstructure, and Electrochemical Properties of NiAl–CO3 Layered Double Hydroxide Thin Films. The Journal of Physical Chemistry C, 116 (29), 15646–15659. doi: https://doi.org/10.1021/jp300780w
- Solovov, V. A., Nikolenko, N. V., Kovalenko, V. L., Kotok, V. A., Burkov, A. А. et. al. (2018). Synthesis of Ni(II)-Ti(IV) Layered Double Hydroxides Using Coprecipitation At High Supersaturation Method. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences, 13 (24), 9652–9656. Available at: http://www.arpnjournals.org/jeas/research_papers/rp_2018/jeas_1218_7500.pdf
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2018). Synthesis of Ni(OH)2 by template homogeneous precipitation for application in the binderfree electrode of supercapacitor. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 4 (12 (94)), 29–35. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2018.140899
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2017). Obtaining of Ni–Al layered double hydroxide by slit diaphragm electrolyzer. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (86)), 11–17. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.95699
- Vasserman, I. N. (1980). Himicheskoe osazhdenie iz rastvorov. Leningrad: Himiya, 208.
- Burmistr, M. V., Boiko, V. S., Lipko, E. O., Gerasimenko, K. O., Gomza, Yu. P., Vesnin, R. L. et al. (2014). Antifriction and Construction Materials Based on Modified Phenol-Formaldehyde Resins Reinforced with Mineral and Synthetic Fibrous Fillers. Mechanics of Composite Materials, 50 (2), 213–222. doi: https://doi.org/10.1007/s11029-014-9408-0
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2017). Selective anodic treatment of W(WC)-based superalloy scrap. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1 (5 (85)), 53–58. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2017.91205
- Song, Q., Tang, Z., Guo, H., Chan, S. L. I. (2002). Structural characteristics of nickel hydroxide synthesized by a chemical precipitation route under different pH values. Journal of Power Sources, 112 (2), 428–434. doi: https://doi.org/10.1016/s0378-7753(02)00396-8
- Singley, W. J., Carriel, J. T. (1953). A New Method of Studying Basic Metal Salts Applied to Certain Basic Salts of Nickel. Journal of the American Chemical Society, 75 (4), 778–781. doi: https://doi.org/10.1021/ja01100a005
- Kovalenko, V., Kotok, V. (2019). Investigation of characteristics of double Ni–Co and ternary Ni–Co–Al layered hydroxides for supercapacitor application. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 2 (6 (98)), 58–66. doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2019.164792
- Paikaray, S., Gomez, M. A., Jim Hendry, M., Essilfie-Dughan, J. (2014). Formation mechanism of layered double hydroxides in Mg2+-, Al3+-, and Fe3+-rich aqueous media: Implications for neutralization in acid leach ore milling. Applied Clay Science, 101, 579–590. doi: https://doi.org/10.1016/j.clay.2014.09.022
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Vadym Kovalenko, Valerii Kotok, Dmitriy Girenko, Mykola Nikolenko, Dmytro Andreiev, Volodymyr Verbitskiy, Volodymyr Medianyk, Svetlana Morozova, Rovil Nafeev
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Закріплення та умови передачі авторських прав (ідентифікація авторства) здійснюється у Ліцензійному договорі. Зокрема, автори залишають за собою право на авторство свого рукопису та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons CC BY. При цьому вони мають право укладати самостійно додаткові угоди, що стосуються неексклюзивного поширення роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом, але за умови збереження посилання на першу публікацію статті в цьому журналі.
Ліцензійний договір – це документ, в якому автор гарантує, що володіє усіма авторськими правами на твір (рукопис, статтю, тощо).
Автори, підписуючи Ліцензійний договір з ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР», мають усі права на подальше використання свого твору за умови посилання на наше видання, в якому твір опублікований. Відповідно до умов Ліцензійного договору, Видавець ПП «ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ЦЕНТР» не забирає ваші авторські права та отримує від авторів дозвіл на використання та розповсюдження публікації через світові наукові ресурси (власні електронні ресурси, наукометричні бази даних, репозитарії, бібліотеки тощо).
За відсутності підписаного Ліцензійного договору або за відсутністю вказаних в цьому договорі ідентифікаторів, що дають змогу ідентифікувати особу автора, редакція не має права працювати з рукописом.
Важливо пам’ятати, що існує і інший тип угоди між авторами та видавцями – коли авторські права передаються від авторів до видавця. В такому разі автори втрачають права власності на свій твір та не можуть його використовувати в будь-який спосіб.