Russian Journal of Physical Chemistry ARussian Journal of Physical Chemistry AЖурнал физической химии0044-45373034-5537The Russian Academy of Sciences68527810.31857/S0044453725020142DDFNXPPHYSICAL CHEMISTRY OF NANOCLUSTERS, SUPRAMOLECULAR STRUCTURES, AND NANOMATERIALSФИЗИЧЕСКАЯ ХИМИЯ НАНОКЛАСТЕРОВ, СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫХ СТРУКТУР И НАНОМАТЕРИАЛОВResearch ArticleSteady-state redox sorption of oxygen dissolved in water on granular layers of copper-ion-exchange nanocompositesСтационарная редокс-сорбция растворенного в воде кислорода на зернистых слоях медь-ионообменных нанокомпозитовKravchenkoT. A.КравченкоТ. А.
Russian Federation
krav280937@yandex.ruKozaderovO. A.КозадеровО. А.
Russian Federation
krav280937@yandex.ruVakhninD. D.ВахнинД. Д.
Russian Federation
krav280937@yandex.ruGolovinI. A.ГоловинИ. А.
Russian Federation
krav280937@yandex.ruMartynovA. E.МартыновА. Э.
Russian Federation
krav280937@yandex.ruVoronezh State UniversityФГБОУ ВО “Воронежский государственный университет”1502202599228629619062025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://journals.eco-vector.com/0044-4537/article/view/685278

The process of redox sorption of oxygen dissolved in water on cathodically polarized granular layers of copper-ion-exchange nanocomposites depending on the water flow rate and the value of polarizing current is studied. It is observed that initially the amount of absorbed oxygen exceeds the amount of leaked electricity. With time, the chemical activity of the nanocomposite decreases, and oxygen continues to be sorbed and further recovered mainly due to the current component of the process. Simultaneous increase in the water flow rate and the strength of the limiting current is concluded to have a favorable effect on the rate of oxygen uptake. Maintaining the constancy of the water supply mode and the respective current strength ensures a stationary course of diffusion, chemical, and electrochemical stages. Successive stages of external diffusive oxygen transfer to the surface of nanocomposite grains, intra-diffusive oxygen transfer along the grain pores and chemical oxidation of copper nanoparticles to oxides characteristic of the final sources are found to be compensated by the stages of electroreduction of oxygen from surface adsorbed complexes and regeneration of oxidation products into metallic copper nanoparticles. The nanocomposite is a continuous source of newly reduced metal particles and contributes to the oxygen redox sorption process reaching the stationary mode. Unlike the nonpolarizable granular layer, the oxygen concentration remains at a low constant level under the conditions of the maximum admissible electric current applied.

Исследован процесс редокс-сорбции кислорода, растворенного в воде, на катодно поляризованных зернистых слоях медь-ионообменных нанокомпозитов в зависимости от скорости потока воды и значения поляризующего тока. Отмечено, что первоначально количество поглощенного кислорода превышает количество протекшего электричества. Со временем химическая активность нанокомпозита уменьшается, и кислород продолжает сорбироваться и далее восстанавливаться главным образом за счет токовой составляющей процесса. Сделан вывод, что одновременное повышение скорости потока воды и силы предельно допустимого тока оказывает благоприятное воздействие на скорость поглощения кислорода. Поддержание постоянства режима подачи воды и соответствующей силы тока обеспечивает стационарное течение диффузионных, химических и электрохимических стадий. Установлено, что последовательные стадии внешнедиффузионного переноса кислорода к поверхности зерен нанокомпозита, внутридиффузионного переноса кислорода по порам зерен и химического окисления наночастиц меди до оксидов, характерные для конечных источников, компенсированы стадиями электровосстановления кислорода из поверхностных адсорбированных комплексов и регенерации продуктов окисления в наночастицы металлической меди. Нанокомпозит является непрерывным источником свежевосстановленных частиц металла и способствует выходу процесса редокс-сорбции кислорода в стационарный режим. В отличие от неполяризуемого зернистого слоя концентрация кислорода остается на низком постоянном уровне в условиях предельно допустимого наложенного электрического тока.

metal nanoparticlesion-exchange matriceschemical and electrochemical oxygen reductionwater deoxygenationнаночастицы металлаионообменные матрицыхимическое и электрохимическое восстановление кислородадеоксигенация водыМинистерство науки и высшего образования Российской ФедерацииMinistry of Science and Higher Education of the Russian FederationБагоцкий В.С. Основы электрохимии. М.: Химия, 1988. 400 с. [Bagotsky V.S. Fundamentals of Electrochemistry M.: Chemistry, 1988. 400 р.]Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия. М.: Химия, Колос, 2006. 672 с. [Damaskin B.B., Petri O.A., Cirlina G.A. Electrochemistry M.: Chemistry, Kolos, 2006. 672 р.]Vukmirovic M.B., Vasiljevic N., Dimitrov N. et al. // J. Electrochemical Society. 2003. Vol. 150. Р. 10.Lu Y., Xu H., Wang J. et al. // J. Electrochimica Acta. 2009. V. 54. Р. 3972.Богдановская В.А., Тарасевич М.Р., Кузнецова Л.Н. и др. // Электрохимия. 2010. Т. 46. № 8. С. 985. [Bogdanovskaya V.A., Tarasevich M.R., Kuznetsova L.N. et al. // Electrochemistry. 2010. Vol. 46. № 8. P. 985.]Yang Y., Zhou Y. // J. Electroanalytical Chemistry. 1995. V. 397. P. 271.Яштулов Н.А., Ревина А.А. // Кинетика и катализ. 2013. Т. 54. № 3. С. 336. [Yashtulov N.A., Revina A.A. // Kinetics and catalysis. 2013. V. 54. № 3. P. 336.]Nie Y., Li L., Wei Z. // J. Chemical Society Rewiews. 2013. № 3. P. 1.Курысь Я.И., Додон Е.С., Уставицкая Е.А. и др. // Электрохимия. 2012. Т. 48. № 11. С. 1161–1168. [Kurys Ya.I., Dodon E.S., Ustavitskaya E.A. et al. // Electrochemistry. 2012. Vol. 48. № 11. P. 1161.]Гуревич С.А., Ильющенков Д.С., Явсин Д.А. и др. // Там же. 2017. Т. 53. № 6. С. 642. [Gurevich S.A., Ilyushenkov D.S., Yavsin D.A. et al. // Electrochemistry. 2017. Vol. 53. № 6. P. 642.]Chen X., Zhu H., Zhao J. et al. // Angewandte Chemie Int. Ed. 2008. № 47. P. 5353.Yang W., Li J., Lan J. et al. // Int. J. of Hydrogen Energy XXX. 2018. P. 1.Wang N., Lu B., Li L. et al. // ACS Catalysis. 2018. № 8. P. 6827.Qin Y., Ou Z., Xu C. et al. // Nanoscale Res. Lett. 2021. P. 1.Liu Q., Peng Y., Li Q. et al. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020. V. 12. P. 17641.Peera S., Kwon H., Lee T. et al. // Ionics. 2020. V. 26. P. 1563.Li Y., Nishidate K. // Int. J. of Hydrogen Energy. 2024. V. 51. P. 1471.Singh H., Zhuang S., Ingis B. et al. // Carbon. 2019. V. 151. P. 160.Yang Y., Qi W., Niu J. et al. // Int. J. of Hydrogen Energy XXX. 2020. V. 45. P. 15465.Zhu Y., Han C., Chen Z. // Int. J. of Hydrogen Energy. 2024. V. 60. P. 1359.Кузьмин А.В., Шаинян Б.А. // Успехи Химии. 2023. Т. 92. № 6. С. 1. [Kuzmin A.V., Shainyan B.A. // Russian Chemical Reviews. 2023. V. 92. № 6. P. 1.]Han C., Chen Z. // Applied Surface Science. 2020. V. 511. P. 1.Liang Z., Liu C., Chen M. et al. // New J. of Chemistry. 2019. V. 43. P. 19308.Ghandehari M.H., Andersen. T.N., Eyring H. // Corrosion Science. 1976. V. 16. P. 123.Крейзер И.В., Маршаков И.К., Тутукина М.Н., Зарцын И.Д. // Защита металлов. 2004. Т. 40. № 1. С. 28. [Kreizer I.V., Marshakov I.K., Tutukina M.N., Zartsyn I.D. // Protection of metals. 2004. V. 40. № 1. P. 28.]Маршаков И.К., Волкова Л.Е., Тутукина М.Н. и др. // Вестник ВГУ. 2005. № 2. С. 43. [Marshakov I.K., Volkova L.E., Tutukina M.N. et al. // Bulletin of the VSU. 2005. № 2. P. 43.]Nakajima Y., Abdul Latif M., Nagata T. et al. // J. Phys. Сhemistry. 2023. V. 18. № 24. P. 3570.Истомин С.Я., Лысков Н.В., Мазо Г.Н. и др. // Успехи Химии. 2021. Т. 90. № 6. С. 644. [Istomin S.Y., Lyskov N.V., Mazo G.N. et al. // Russian Chemical Reviews. 2021. V. 90. № 6. P. 644.]Кравченко Т.А., Золотухина Е.В., Чайка М.Ю., Ярославцев А.Б. // Электрохимия нанокомпозитов металл–ионообменник. М.: Наука, 2013. 365 с. [Kravchenko T.A., Zolotukhina E.V., Chaika M.Yu., Yaroslavtsev A.B. // Electrochemistry of Nanocomposites Metal–Ion Exchanger. M.: Science. 2013. 365 р.]Muraviev D.N., Ruiz P., Munoz M. et al. // Reactive & Functional Polymers. 2011. № 71. P. 916.Горшков В.С., Захаров П.Н., Полянский Л.Н. и др. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2014. Т. 14. № 4. С. 601. [Gorshkov V.S., Zakharov P.N., Polyansky L.N. et al. // Sorption and Chromatographic Processes. 2014. Vol. 14. № 4. P. 601.]Du C., Gao X., Chen W. // Chinese J. of Catalysis. 2016. № 37. P. 1049.Hussain S., Erikson H., Kongi N. et al. // J. Electrochemical Society. 2017. № 164. P. 1014.Богдановская В.А., Тарасевич М.Р. // Электрохимия. 2011. Т. 47. № 4. С. 404. [Bogdanovskaya V.A., Tarasevich M.R. // Electrochemistry. 2011. V. 47. № 4. P. 404.]Shao M. // Catalysts. 2015. № 5. P. 2115.Lu Y., Thia L., Fisher A. et al. // Science China Materials. 2017. № 60. P. 1109.Strbac S., Srejic I., Rakocevic Z. // J. Electroanalytical Chemistry. 2017. № 789. P. 76.Гутерман А.В., Пахомова Е.Б. Гутерман Е.В. и др. // Неорганические материалы. 2009. Т. 45. № 7. С. 829. [Guterman A.V., Pakhomova E.B. Guterman E.V. et al. // Inorganic Materials. 2009. V. 45. № 7. P. 829.]Меньщиков В.С., Беленов С.В., Новомлинский И.Н. и др. // Электрохимия. 2021. Т. 57. № 6. C. 331. [Menshchikov V.S., Belenov S.V., Novomlinsky I.N. et al. // Electrochemistry. 2021. V. 57. № 6. P. 331.]Selvaraju T., Ramaraj R. // PRAMANA – Indian Academy of Sciences. 2005. V. 65. № 4. P. 713.Lebedeva V.I., Gryaznov V.I., Petrova I.V. et al. // Kinetics and catalysis. 2006. V. 47. № 6. P. 867.Barau A., Budarin V., Luque R. et al. // Catal Lett. 2008. № 124. P. 204.Волков В.В., Кравченко Т.А., Ролдугин В.И. // Российские Нанотехнологии. 2013. Т. 82. № 5. С. 465. [Volkov V.V., Kravchenko T.A., Roldugin V.I. // Russian Nanotechnologies. 2013. Vol. 82. № 5. P. 465.]Слепцова О.В., Соцкая Н.В., Кравченко Т.А. // Журн. физ. химии. 1997. Т. 71. № 10. С. 1899. [Sleptsova O.V., Sotskaya N.V., Kravchenko T.A. // J. Phys.Сhemistry. 1997. V. 71. № 10. P. 1899.]Кравченко Т.А., Соцкая Н.В., Слепцова О.В. // Там же. 2000. Т. 74. № 6. С. 1111. [Kravchenko T.A., Sotskaya N.V., Sleptsova O.V. // Ibid. 2000. V. 74. № 6. P. 1111.]Полянский Л.Н. // Сорбционные и хроматографические Процессы. 2014. Т. 14. № 5. С. 813. [Polyansky L.N. // Sorption and Сhromatographic Рrocesses. 2014. V. 14. № 5. P. 813.]Полянский Л.Н., Горшков В.С., Вахнин Д.Д. и др. // Российские нанотехнологии. 2015. Т. 10. № 7–8. С. 46. [Polyansky L.N., Gorshkov V.S., Vakhnin D.D. et al. // Russian Nanotechnologies. 2015. V. 10. № 7–8. P. 558.]Хорольская С.В., Полянский Л.Н., Кравченко Т.А. и др. // Журн. физ. химии. 2014. Т. 88. № 6. С. 1002. [Khorolskaya S.V., Polyansky L.N., Kravchenko T.A. et al. // J. Phys. Сhemistry. 2014. V. 88. № 6. P. 1000.]Полянский Л.Н., Коржов Е.Н., Вахнин Д.Д и др. // Журн. физ. химии. 2016. Т. 90. № 8. С. 1267. [Polyansky L.N., Korzhov E.N., Vakhnin D.D. et al. // J. Phys. Сhemistry. 2016. V. 90. № 8. P. 675.]Полянский Л.Н., Коржов Е.Н., Вахнин Д.Д. и др. // Журн. физ. химии. 2016. Т. 90. № 9. С. 1414. [Polyansky L.N., Korzhov E.N., Vakhnin D.D. et al. // J. Phys. Сhem. 2016. V. 90. № 9. P. 1889.]Вахнин Д.Д., Придорогина В.Е., Полянский Л.Н. и др. // Журн. физ. химии. 2018. Т. 92. № 1. С. 155. [Vakhnin D.D., Pridorogina V.E., Polyansky L.N. et al. // J. Phys. Сhem. 2018. V. 92. № 1. P. 172.]Вахнин Д.Д., Полянский Л.Н., Кравченко Т.А. и др. // Журн. физ. химии. 2019. Т. 93. № 5. С. 749. [Vakhnin D.D., Polyansky L.N., Kravchenko T.A. et al. // J. Phys. Сhem. 2019. Vol. 93. № 5. Р. 793.]Кравченко Т.А., Конев Д.В., Вахнин Д.Д. и др. // Российские Нанотехнологии. 2019. Т. 14. № 11–12. С. 15. [Kravchenko T.A., Konev D.V., Vakhnin D.D. et al. // Russian Nanotechnologies. 2019. V. 14. № 11–12. P. 15.]Кравченко Т.А., Вахнин Д.Д., Придорогина В.Е. и др. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2020. Т. 20. № 4. С. 539. [Kravchenko T.A., Vakhnin D.D., Pridorogina V.E. et al. // Sorption and Chromatographic Processes. 2020. V. 20. № 4. Р. 539.]Кравченко Т.А., Шевцова Е.А., Крысанов В.А. // Сорбционные и хроматографические процессы. 2021. Т. 21. № 5. С. 630. [Kravchenko T.A., Shevtsova E.A., Krysanov V.A. // Sorption and Chromatographic Processes. 2021. V. 21. № 5. P. 630.]Вахнин Д.Д., Фертикова Т.Е. Полянский Л.Н. и др. // Российские нанотехнологии. 2022. Т. 17. № 6. С. 799. [Vakhnin D.D., Fertikova T.E., Polyansky L.N. et al. // Russian Nanotechnologies. 2022. V. 17. № 6. P. 766.]Кравченко Т.А., Крысанов В.А., Головин И.А. // Электрохимия. 2023. Т. 59. № 3. С. 134. [Kravchenko T.A., Krysanov V.A., Golovin I.A. // Electrochemistry. 2023. V. 59. № 3. P. 1729.]Кравченко Т.А., Фертикова Т.Е., Головин И.А. и др. // Журн. физ. химии. 2023. Т. 97. № 12. С. 1729. [Kravchenko T.A., Fertikova T.E., Golovin I.A. et al. // J. Physics Chemistry. 2023. V. 97. № 12. P. 2768.]Кравченко Т.А., Полянский Л.Н., Калиничев А.И., Конев Д.В. // Нанокомпозиты металл-ионообменник. М.: Наука, 2009. 391 с. [Kravchenko T.A., Polyansky L.N., Kalinichev A.I., Konev D.V. // Metal–Ion Exchanger Nanocomposites. M.: Science, 2009. 391 р.]Чайка М.Ю., Кравченко Т.А., Полянский Л.Н. и др. // Электрохимия. 2008. Т. 44. № 11. С. 1337. [Chaika M.Y., Kravchenko T.A., Polyansky L.N. et al. // Electrochemistry. 2008. V. 44. № 11. P. 857.]Полянский Л.Н., Горшков В.С., Кравченко Т.А. // Журн. физ. химии. 2012. Т. 86. № 1. С. 121. [Polyansky L.N., Gorshkov V.S., Kravchenko T.A. // J. Phys. Сhem. 2012. V. 86. № 1. P. 114.]Сергеева О.В., Рахманов C.K. Введение в нанохимию: пособие для студентов хим. фак. Минск. 2009. 178 с. [Sergeeva O.V., Rakhmanov S.K. Introduction to nanochemistry: The schoolbook for students. Minsk. 2009. 178 р.]