Дослідження механизму формування гідроксиду нікелю при осадженні із нитрату нікеля

Автор(и)

  • Вадим Леонідович Коваленко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0002-8012-6732
  • Валерій Анатолійович Коток Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-8879-7189
  • Дмитро Вадимович Гіренко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-9658-5645
  • Микола Васильович Ніколенко Український державний хіміко-технологічний університет, Україна https://orcid.org/0000-0001-9289-2680
  • Дмитро Андрійович Андрєєв Національний еколого-натуралістичний центр, Україна https://orcid.org/0000-0003-1636-1671
  • Володимир Валентинович Вербицький Національний педагогічний університет ім. Драгоманова, Україна https://orcid.org/0000-0001-7045-8293
  • Володимир Юрійович Медяник Національний технічний університет «Дніпровська політехніка», Україна https://orcid.org/0000-0001-5403-5338
  • Світлана Володимирівна Морозова Державний університет телекомунікацій, Україна https://orcid.org/0000-0002-6257-0450
  • Ровіл Касимович Нафєєв Державний університет телекомунікацій, Україна https://orcid.org/0000-0003-2721-9718

DOI:

https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.272673

Ключові слова:

гідроксид нікелю, нітрат нікелю, двохступеневий механізм формування, α-модифікація, нітрат-допованний гидроксид нікеля, первинний осад, потенціометрія, кондуктометрія

Анотація

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

Біографії авторів

Вадим Леонідович Коваленко, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра аналітичної хімії та хімічної технології харчових добавок і косметичних засобів

Валерій Анатолійович Коток, Український державний хіміко-технологічний університет

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра процесів і апаратів, та загальної хімічної технології

Дмитро Вадимович Гіренко, Український державний хіміко-технологічний університет

Доктор хімічних наук, професор

Кафедра фізичної хімії

Микола Васильович Ніколенко, Український державний хіміко-технологічний університет

Доктор хімічних наук, професор

Кафедра аналітичної хімії та хімічної технології харчових добавок і косметичних засобів

Дмитро Андрійович Андрєєв, Національний еколого-натуралістичний центр

Аспірант

Володимир Валентинович Вербицький, Національний педагогічний університет ім. Драгоманова

Доктор педагогічних наук, професор, директор

Кафедра медичних, біологічних та валеологічних основ захисту життя та здоров’я

Володимир Юрійович Медяник, Національний технічний університет «Дніпровська політехніка»

Кандидат технічних наук, доцент

Кафедра гірничої інженерії та освіти

Світлана Володимирівна Морозова, Державний університет телекомунікацій

Старший викладач

Кафедра вищої математики, математичного моделювання та фізики

Ровіл Касимович Нафєєв, Державний університет телекомунікацій

Кандидат фізико-математичних наук, доцент

Кафедра вищої математики, математичного моделювання та фізики

Посилання

  1. 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
  2. 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
  3. 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
  4. 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
  5. 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
  6. 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
  7. 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
  8. 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
  9. 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
  10. 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
  11. 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
  12. 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
  13. 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
  14. 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
  15. 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
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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
  20. 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
  21. 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
  22. 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
  23. 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
  24. 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
  25. 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
  26. 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
  27. 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
  28. 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
  29. 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
  30. 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
  31. 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
  32. 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
  33. 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
  34. 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
  35. 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
  36. 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
  37. 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
  38. 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
  39. 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
  40. 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
  41. 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
  42. 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
  43. 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
  44. 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
  45. 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
  46. 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
  47. 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
  48. 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
  49. 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
  50. 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
  51. Vasserman, I. N. (1980). Himicheskoe osazhdenie iz rastvorov. Leningrad: Himiya, 208.
  52. 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
  53. 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
  54. 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
  55. 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
  56. 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
  57. 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
Дослідження механизму формування гідроксиду нікелю при осадженні із нитрату нікеля

##submission.downloads##

Опубліковано

2023-02-28

Як цитувати

Коваленко, В. Л., Коток, В. А., Гіренко, Д. В., Ніколенко, М. В., Андрєєв, Д. А., Вербицький, В. В., Медяник, В. Ю., Морозова, С. В., & Нафєєв, Р. К. (2023). Дослідження механизму формування гідроксиду нікелю при осадженні із нитрату нікеля. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 1(6 (121), 58–65. https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.272673

Номер

Розділ

Технології органічних та неорганічних речовин