Помощь в написании студенческих работ
Антистрессовый сервис

Кинетика электродных реакций на синтетическом алмазе

Диссертация: Кинетика электродных реакций на синтетическом алмазе
ДиссертацияПомощь в написанииУзнать стоимостьмоей работы

В настоящей работе исследованы электродные свойства легированных бором тонкопленочных алмазных полии монокристаллических электродов, осажденных из газовой фазыкомпактных алмазных монокристаллов, полученных при высоких давлении и температуретонкопленочных электродов из аморфного алмазоподобного углерода. Оценены перспективы применения этих алмазных образцов в качестве электродных материалов, для… Читать ещё >

Кинетика электродных реакций на синтетическом алмазе (реферат, курсовая, диплом, контрольная)

Содержание

  • 1. Введение
  • 2. Литературный обзор
    • 2. 1. Пленки синтетического алмаза в качестве электродов: фоновые кривые ток-потенциал и коррозионная стойкость
    • 2. 2. Кинетика внешнесферных реакций. Металлоподобные алмазные электроды
    • 2. 3. Кинетика внутрисферных реакций. Алмазные электроды в препаративном электролизе и электроанализе
    • 2. 4. Спектроскопия импеданса и полупроводниковые свойства алмазных электродов
    • 2. 5. Задачи работы
  • 3. Методика эксперимента
    • 3. 1. Получение алмазных и алмазоподобных электродов
    • 3. 2. Структура и основные электрофизические характеристики алмазных и алмазоподобных пленок и кристаллов
    • 3. 3. Методика проведения вольтамперометрических измерений
    • 3. 4. Методика измерения электрохимического импеданса
  • 4. Экспериментальная часть
    • 4. 1. Кинетика окислительно-восстановительных реакций на поликристаллических алмазных электродах
      • 4. 1. 1. Определение кинетических параметров окислительновосстановительных реакций
      • 4. 1. 2. Электрокаталитическая активность поликристаллических алмазных электродов и полупроводниковые свойства алмаза
    • 4. 2. Сравнение монокристаллических и поликристаллических пленок полупроводникового алмаза
    • 4. 3. О частотной зависимости дифференциальной емкости монокристаллических пленок
    • 4. 4. Кинетика окислительно-восстановительных реакций на монокристаллах, выращенных при высоких давлении и температуре
    • 4. 5. Кинетика окислительно-восстановительных реакций на электродах из аморфного алмазоподобного углерода
    • 4. 6. Адсорбция и кинетика окислительно-восстановительных реакций на электродах а-С:НЯЧ в растворах тетраметилфенилпорфирина кобальта
  • 5. Выводы
  • 6. Литература

Алмаз — один из наиболее интересных минералов в природе. Вопросами его происхождения и искусственного получения ученые занимаются уже более ста лет. Благодаря своим уникальным свойствам (исключительной твердости, высокой абразивной способности и др.) алмаз широко применяется в промышленности [1, 2]. В настоящее время область его практических применений все более расширяется (например, в материаловедении [3], микроэлектронике [4]).

Полупроводниковый алмаз отличается исключительной химической стойкостью, и уже поэтому является перспективным коррозионностойким электродным материалом. Если учитывать потенциальные преимущества развитой в последние годы технологии получения легированного (проводящего) тонкопленочного алмаза из газовой фазы при пониженном давлении (возможность покрывать большие площади и относительную дешевизну) [5−8], то можно предположить, что алмазные электроды в дальнейшем заменят электроды, приготовленные с использованием драгоценных металлов.

В зависимости от уровня легирования [9, 10], алмаз проявляет свойства суперширокозонного полупроводника или полуметалла. В первом случае электрохимические, фотоэлектрохимические и импедансные измерения позволяют определять характеристики алмаза, как материала (удельное сопротивление, концентрацию акцепторов, потенциал плоских зон, и др.). Во втором случае «металлоподобный» алмаз оказался коррозионно-стойким электродом, эффективным в электросинтезе (в частности, при электровосстановлении трудно восстанавливающихся соединений) и электроанализе.

Фактически электрохимия алмаза началась с работы [11]. В ней впервые были получена вольт-амперная характеристика алмазных электродов, а также обнаружена их фоточувствительность, которая была сопоставлена с полупроводниковыми свойствами алмаза. За исследованиями российских авторов последовали работы электрохимиков из Японии, Израиля, Франции, США и других стран. В последние три года число лабораторий, занятых исследованиями алмазных электродов, неуклонно растет.

В настоящей работе исследованы электродные свойства легированных бором тонкопленочных алмазных полии монокристаллических электродов, осажденных из газовой фазыкомпактных алмазных монокристаллов, полученных при высоких давлении и температуретонкопленочных электродов из аморфного алмазоподобного углерода. Оценены перспективы применения этих алмазных образцов в качестве электродных материалов, для чего были определены формальные кинетические характеристики различных окислительно-восстановительных реакций, протекающих на них, которые были сопоставлены с полупроводниковыми характеристиками алмаза.

2. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР.

В опубликованных к настоящему времени исследованиях электрохимии синтетического алмаза использовались почти исключительно поликристаллические алмазные пленки, полученные методом химического газофазного осаждения [8]. Согласно простейшей модели [12], такие пленки состоят из алмазных кристаллитов, разделенных разупорядоченной углеродной фазой межкристаллитных границ. Толщина пленок составляет обычно несколько микрон.

Алмазные кристаллиты формируют характерную гранную морфологию поверхности пленки, их размер достигает нескольких микрон. В качестве материала межкристаллитных границ можно условно рассматривать аморфный алмазоподобный углерод с преимущественной зр3-гибридизацией углеродных орбиталей. Алмазоподобный углерод имеет запрещенную зону 2−4 эВ и низкую проводимость.

Удельное сопротивление легированных алмазных пленок зависит от содержания бора и обычно варьируется в пределах от 104 Ом-см до десятых долей Ом-см. Соответственно, алмаз может быть как диэлектриком, полупроводником, так и металлоподобным материалом.

ВЫВОДЫ:

1. Проведено систематическое исследование кинетики протекания окислительно-восстановительных реакций на легированных бором поли-и монокристаллических тонкопленочных электродах, осажденных из газовой фазыкомпактных алмазных монокристаллах и тонкопленочных электродах из аморфного алмазоподобного углерода в растворах хинона-гидрохинона, Се3+/4+, Ре (С1Г)б3~/4″. Определены кинетические характеристики.

2. Установлена связь между кинетикой и полупроводниковыми свойствами синтетического алмаза: скорость электрохимической реакции пропорциональна концентрации свободных носителей, принимающих участие в реакции на поверхности электрода.

3. На основании сравнения кинетических данных для поли-, монокристаллических образцов и тонкопленочных электродов из аморфного алмазоподобного углерода сделано заключение, что электрохимическое поведение поликристаллических алмазных электродов формируется именно кристаллитами алмаза, а не разупорядоченным углеродом межкристаллитных границ.

4. Установлено, что широкозонный алмазоподобный электрод электрохимически неактивен, но он приобретает электрохимическую активность после введения в весь объем пленки примеси платины около 10%. Поведение такого электрода в отношении реакций растворенного тетраметилфенилпорфирина Со напоминает поведение электрода из металлической платины.

5. Впервые исследованы легированные бором компактные алмазные монокристаллы, полученные при высоких давлении и температуре. Показано, что их электрохимическое поведение качественно не отличается от тонкопленочных алмазных электродов, осажденных из газовой фазы.

Показать весь текст

Список литературы

  1. B.C., Гиппиус A.A., Конорова Е. А. Электронные и оптические процессы в алмазе. М.: Наука, 1985.
  2. The Properties of Natural and Synthetic Diamond (Ed. by J. Field). Academic Press, London, New York, 1992.
  3. K.E. // J.Am.Ceram.Soc. 1989. N.12. P.171.
  4. B.C. // Усп.физ.наук. 1997. T.167. C.17.
  5. B.C. // Усп.физ.наук. 1994. T.164. C.287.
  6. В., Kalish R., Feldman L.C., Katz A., Moriya N., Short K., White A.E. // J.Electrochem.Soc. 1994. V.141. L41.
  7. B.V., Bouilov L.L., Deryagin B.V. // J.Crystal Growth. 1981. V.52. P.219.
  8. В.П. Техника средств связи. Сер. Технология производства и оборудование. 1989. Т.44. Вып.1.
  9. Locher R., Wagner J., Fuchs F., Maier M., Gonon P., Koidl P. II Diamond and Related Mater. 1995. V.4. P.678.
  10. Werner M., Job R., Zaitsev A., Fahrner W.R., Seibert W., Johnston C., Chalker P.R. II Phys.stat.sol.(a). 1996. V.154. P.385.
  11. Yu.V., Sakharova A.Ya., Krotova M.D., Bouilov L.L., Spitsyn B.V. // J.Electroanal.Chem. 1987. V.228. P.19.
  12. А.Я., Севастьянов A.E., Плесков Ю. В., Теплицкая Г. Л., Суриков В. В., Волошин A.A. // Электрохимия. 1991. Т.27. С. 263.
  13. Nath S., Wilson J.I.B. // Diamond and Related Mater. 1996. V.5. P.65.
  14. H.B., Argoitia A., Landau U., Anderson A.B., Angus J.C. // J.Electrochem.Soc. 1996. V.143. L133.
  15. Swain G.M., Anderson A.B., Angus J.C. MRS Bulletin. 1998. Sept.
  16. J.W., Granger M.C., Swain G.M., Dallas Т., Holtz M.W. // Anal.Chem. 1996. V.68. P.2031.
  17. G.M. // J.Electrochem.Soc. 1994. V.141. P.3382.
  18. Q., Granger M., Lister Т.Е., Swain G.M. //J.Electrochem.Soc. 1997. V.144. P.3806.
  19. DeClements R., Swain G.M. //J.Electrochem.Soc. 1997. V.144. P.856.
  20. P.U., Morrish A. //Mater.Res. 1989. V.8. P.269.
  21. Garsia I., Conde A., de Danborenea J. J., Vazquez A.J. // Thin Solid Films. 1997. V.310.P.217.
  22. R., Rose M.F. // Corrosion Sci. 1997. V.39. P.2019.
  23. C.H., Jones F., Foord J.S., Eklund J.C., Marken F., Compton R.G., Chalker P.R., Johnston C. // J.Electroanal.Chem. 1997. V.442. P.207.
  24. R., Rose M.F. // Diamond and Related Mater. 1997. V.6. P.17.
  25. Ramesham R., Rose M. F // Thin Solid Films. 1997. V.300. P. 144.
  26. A.T. // J.Electrochem.Soc. 1987. V.134. P.2470.
  27. Sakharova A. Ya., Pleskov Yu. V., Di Quarto F., Piazza S., Sunseri C., Gerasimovich S.S., Sleptsov V.V. // J.Electroanal.Chem. 1995. V.398. P.13.
  28. А.Я., Плесков Ю. В., Ди Кварто Ф., Пьяцца С., Сунсери К., Герасимович С. С., Слепцов В. В. // Электрохимия. 1996. Т.32. С. 1298.
  29. A., Stimming U., Winter J. // J.Electrochem.Soc. 1989. V.136. P. 1849.
  30. П. Новые приборы и методы в электрохимии. М.: Наука, 1957.
  31. Галюс 3. Теоретические основы электрохимического анализа. М.: Мир, 1974.
  32. Xu J., Granger M.C., Chen Q., Strojek J.W., Lister Т.Е., Swain G.M. // Anal.Chem. 1997. V.69. P.591A.
  33. S., Chambers F., Strojek J.W., Swain G.M., Rarnesham R. /'/ Anal.Chem. 1995. V.67. P.2812.
  34. N., Miller В., Avigal Y., Kalish R. // J.Electrochem.Soc. 1996. V.143.L238.
  35. R., Rose M.F. // J.Mater.Sci.Lett. 1997. V.16. P.1693.
  36. А. Д., Плесков Ю. В., Варнин В. П., Теремецкая И. Г. // Электрохимия. 1997. Т.33. С. 60.
  37. AwadaM., Strojek J.W., Swain G.M. //J.Electrochem.Soc. 1995. V.142. L42.
  38. De Clements R., Swain G.M., Dallas Т., Holtz M.W., Herrik II R.D., Stickney J.L. // Langmuir. 1996. V.12. P.6578.
  39. Xu J., Chen Q., Swain G.M. // Anal.Chem. 1998. V.70. P.3146.
  40. Bouamrane F., Kautek W., Sahre M., Tajeddine A., Rzepka E., Levy-Clement C. // International Symposium on Diamond Materials. The Electrochemical Society, INC., Peninnington, NJ. 1997. P. 309.
  41. R., Patel K., Hashimoto K., Fujishima A. // J.Electroanal.Chem. 1993. V.347. P.409.
  42. Reuben C., Galun E., Cohen H., Tenne R., Kalish R., Muraki Y., Hashimoto K., Fujishima A., Butler J.M., Levy-Clement C. // J.Electroanal.Chem. 1995. V.396. P.233.
  43. Boumrane F., Tadjeddine A., Butler J.E., Tenne R., Levy-Clement C. // J.Electroanal.Chem. 1996. V.405. P.95.
  44. Li L.-F., Totir D.A., Vinokur N., Miller В., Chottiner G., Evans E.A., Angus J.C., Scherson D.A. // J.Electrochem.Soc. 1998. V.145. L85.
  45. Boumrane F., Tadjeddine A., Tenne R., Butler J.E., Levy-Clement C. // J.Phys.Chem.B. 1997. V.102. P.134.
  46. S., Koppang M., Jackson Т., Swain G.M. // Anal.Chem. 1997. V.69. P.4099.
  47. Xu J., Swain G.M. II Anal.Chem. 1998. V.70. P.1502.
  48. Ю.Я., Плесков Ю. В. Фотоэлектрохимия полупроводников. М.: Наука, 1983.
  49. З.Б., Графов Б. М., Савова-Стойнова Б., Елкин В. В. Электрохимический импеданс. М.: Наука, 1991.
  50. Sakharova A.Ya., Pleskov Yu.V., Di Quarto F., Piazza S., Sunseri C., Teremetskaya I.G., Varnin V.P. /IJ.Electrochem.Soc. 1995. V.142. P.2704.
  51. A., Nyikos L., Pleskov Yu. // Electrochim.Acta. 1992. V.37. P.973.
  52. Yu.V., Mishuk V.Ya., Abaturov M.A., Elkin V.V., Krotova M.D., Varnin V.P., Teremetskaya I.G. // J.Electroanal.Chem. 1995. V.396. P.227.
  53. R. // Thin Solid Films. 1998. V.322. P.158.
  54. Ю.В., Мишук В. Я., Абатуров M.A., Елкин В. В., Кротова М. Д., Варнин В. П., Теремецкая И. Г. // Электрохимия. 1997. Т.33. С. 67.
  55. Muto Y., Sugino Т., Kobashi К., Shirafuji J. II Japan J.Appl.Phys. Pt.2. 1992. V.31.L4.
  56. M.M., Reinhard D.K. // Diamond and Related Mater. 1997. V.6. P.1689.
  57. Boukamp B.A. II Solid State Ionics. 1986. V.20. P.31.
  58. Oskam G., Vanmaekelbergh D., Kelly J.J. II J.Electroanal.Chem. 1991. V.315.P.65.
  59. Dutoit E.C., Van Meirhaeghe R.L., Cardon F., Gomes W.P. // Ber.Bunsenges.phys.Chem. 1975. V.79. P.1206.
  60. McCann J.F., Badwal S.P.S. // J.Electrochem.Soc. 1982. V.129. P.551.
  61. Т. 11 Meeting Abstracts. The 1997 Joint Meeting of ECS (192nd) and ISE (48th), Paris, France, August 31 September 5. P.972.
  62. Yu.V., Elkin V.Y., Abaturov M.A., Krotova M.D., Mishuk V.Ya., Varnin V.P., Teremetskaya I.G. // J.Electroanal.Chem. 1996. V.413. P.105.
  63. Ю.В. // Успехи химии. 1999 (в печати).
  64. Р.К., Leers D., Wiechert D.U. // Diamond and Related Mater. 1993. V.2. P.683.
  65. J. // Advances in Physics. 1986. V.35. P.317.
  66. Г. Н., Бутузов В. П., Самойлович М. И. Синтетический алмаз. М.: Недра, 1976.
  67. Bou P., Vandenbulcke L. II J.Electrochem.Soc. 1991. V.138. Р.2991.
  68. В.А., Помчалов A.B., Польянов Ю. Н. // Труды 3-й международной конференции «Кристаллы: рост, свойства, реальные структуры, применение», г. Александров, 20−24 октября 1997 г. Т.2. С. 119.
  69. Modestov A.D., Evstefeeva Yu.E., Pleskov Yu.V., Mazin V.M., Varnin V.P., Teremetskaya I.G. II J.Electroanal.Chem. 1997. V.431. P.211.
  70. K.I. //Mikrochim.Acta. 1997. V.125. P.107.
  71. Sunkara M., Wadsborn M., Yeap E., Ralchenko V., Pypkin B.N., Shubekin M.L., Babu S.V. II International Symposium on Diamond Materials. The Electrochemical Society, INC., Peniimington, NJ. 1997. P.297.
  72. B.H., Спицын M.A., Казаринов B.E. // Электрохимия. 1996. Т.32. С. 1417.
  73. М.Р., Радюшкина К. А. Катализ и электрокатализ металлопорфиринами. М.: Наука, 1982.
  74. М.Р. Электрохимия углеродных материалов. М.'.Наука, 1984.
Заполнить форму текущей работой

Сессия? Спокойно!