К.В. Холин1, Т.П. Султанов2, П.Я. Эндерс3, Е.А. Соловьев4, Э.И. Галеева5, С.Т. Минзанова6

1 Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева (г. Казань, Россия)

1-6 Казанский национальный исследовательский технологический университет (г. Казань, Россия)

1-4,6 Институт органической и физической химии им. А.Е. Арбузова, ФИЦ РАН (г. Казань, Россия)

1 kholin06@mail.ru; 2 sultanovtp05@mail.ru; 3 enderspolina@mail.ru; 4 evgeniy.solovev.anatolevich@mail.ru; 5galeeva-el@mail.ru; 6minzanova@iopc.ru

Постановка проблемы. В настоящее время актуальной проблемой в электронике, радиотехнике, аэротехнике становится критическое уменьшение таких невозбновляемых ресурсов, как платина, золото, серебро, индий, а также более распространенных, но активно используемых лития, никеля и меди. Разработка и синтез наноструктур с контролируемой морфологией привлекают внимание исследователей и инженеров, поскольку намного эффективней нанести небольшое количество металла на используемую поверхность, чем создать деталь полностью из этого металла. К основным способам получения наноструктур на поверхности относятся химическое осаждение, электронно-лучевая литография, импульсное лазерное осаждение, электрохимическое осаждение и др. Среди них следует выделить электрохимическое осаждение, так как оно позволяет сравнительно дешево и в больших масштабах получать такие поверхности и управлять их морфологией путем изменения условий осаждения (временем, потенциалом, pH-раствора).

Цель. Получить никельсодержащие наночастицы на стеклоуглероде путем электроосаждения из водного раствора биополимерных комплексов пектата натрия с двухвалентным никелем и исследовать влияние таких условий электроосаждения, как продолжительность осаждения и содержание ионов Ni(II) в комплексах петктата натрия на морфологию образующейся поверхности.

Результаты. Проведено исследование влияния условий электроосаждения на морфологию образующейся поверхности стеклоуглеродного электрода. Выяснено, что биополимерные лиганды оказывают роль стабилизирующего агента для образования никельсодержащих наночастиц вместо никельсодержащего слоя. Показано, что стандартные размеры образующихся наночастиц лежат в диапазоне 20…90 нм. Установлено, что содержание никеля в комплексах, как и время осаждения, прямопропорционально влияет на количество осажденных наночастиц, но слабо влияет на их размеры.

Практическая значимость. Результаты проведенного исследования позволяют использовать их для контролируемого электроосаждения никельсодержащих наночастиц на проводящие поверхности при разработке нелинейных оптических устройств, светодиодов, диодов, транзисторов, логических затворов, сенсоров и других устройств электроники.

Холин К.В., Султанов Т.П., Эндерс П.Я., Соловьев Е.А., Галеева Э.И., Минзанова С.Т. Особенности формирования никельсодержащих наночастиц на стеклоуглеродных электродах путем электроосаждения из растворов комплексов пектата натрия // Радиотехника. 2024. Т. 88. № 1. С. 77−85. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202401-07

1. Беликов А.В., Козлова А.Д., Федорова Ю.В., Смирнов С.Н. Исследование активной лазерной доставки и антимикотической активности цинксодержащих наноматериалов и фотодинамических препаратов в лечении онихомикоза // Радиотехника. 2023. Т. 87. № 8. С. 116-127. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202308-19.
2. Daniel M.C., Astruc D. Gold nanoparticles: assembly, supramolecular chemistry, quantum-size-related properties, and applications toward biology, catalysis, and nanotechnology // Chemical reviews. 2004. V. 104(1). P. 293-346. https://doi.org/10.1021/cr030698+.
3. Смирнов С.Е., Смирнов С.С., Пуцылов И.А., Воробьев И.С. Метод синтеза наноструктурированных электродов // Наукоемкие технологии. 2012. Т. 13. № 6. С. 8-13.
4. Сапков И.В., Колесов В.В., Солдатов Е.С. Нанотехнология для наноэлектроники: формирование нанозазора в металлическом нанопроводе сфокусированным ионным пучком // Радиотехника. 2011. Т. 75. № 10. С. 28-35.
5. Bayoumi F.M., Ateya B.G. Formation of self-organized titania nano-tubes by dealloying and anodic oxidation // Electrochemistry Communications. 2006. V. 8(1). P. 38-44. https://doi.org/10.1016/j.elecom.2005.10.014.
6. Yinghua L., Xuelong P., Jiacai K., Yingjun D. Improving the microstructure and mechanical properties of laser cladded Ni-based alloy coatings by changing their composition: A review // Reviews on Advanced Materials Science. 2020. V. 59(1). P. 340-351. https://doi.org/10.1515/rams-2020-0027.
7. Ivanov M.S., Khomchenko V.A., Salimian M., Nikitin T., Kopyl S., Buryakov A.M., Mishina E.D., Salehli F., Marques P.A.A.P., Goncalves G., Fausto R., Paixão J.A., Kholkin A.L. Self-assembled diphenylalanine peptide microtubes covered by reduced graphene oxide/spiky nickel nanocomposite: An integrated nanobiomaterial for multifunctional applications // Materials & Design. 2018. V. 142. P. 149-157. https://doi.org/10.1016/j.matdes.2018.01.018.
8. Krishnapriya R., Praneetha S., Murugan A.V. Microwave-solvothermal synthesis of various TiO2 nano-morphologies with enhanced efficiency by incorporating Ni nanoparticles in an electrolyte for dye-sensitized solar cells // Inorganic Chemistry Frontiers. 2017. V. 4(10). P. 1665-1678. https://doi.org/10.1039/C7QI00329C.
9. Lee H.Y., Kim S.W., Lee H.Y. Expansion of active site area and improvement of kinetic reversibility in electrochemical pseudocapacitor electrode // Electrochemical and Solid-State Letters. 2001. V. 4(3). P. A19. https://doi.org/10.1149/1.1346536.
10. Hong M.S., Lee S.H., Kim S.W. Use of KCl aqueous electrolyte for 2 V manganese oxide/activated carbon hybrid capacitor // Electrochemical and Solid-State Letters. 2002. V. 5(10). P. A227-230. https://doi.org/10.1149/1.1506463.
11. Cote L.J., Teja A.S., Wilkinson A.P., Zhang Z.J. Continuous hydrothermal synthesis of CoFe2O4 nanoparticles // Fluid Phase Equilibria. 2003. V. 210(2). P. 307-317. https://doi.org/10.1016/S0378-3812(03)00168-7.
12. Fu X., Yu H., Peng F., Wang H., Qian Y. Facile preparation of RuO2/CNT catalyst by a homogenous oxidation precipitation method and its catalytic performance // Applied Catalysis A: General. 2007. V. 321(2). P. 190-197. https://doi.org/10.1016/j.apca-ta.2007.02.002.
13. Spatz J.P., Mößmer S., Möller M. Mineralization of gold nanoparticles in a block copolymer microemulsion // Chemistry–A European Journal. 1996. V. 2(12). P. 1552-1555. https://doi.org/10.1002/chem.19960021213.
14. Glass R., Möller M., Spatz J.P. Block copolymer micelle nanolithography // Nanotechnology. 2003. V. 14(10). P. 1153. https://doi.org/10.1088/0957-4484/14/10/314.
15. Esparza R., Rosas G., Fuentes M.L., Ramírez J.S., Pal U., Ascencio J.A., Pérez R. Synthesis of gold nanoparticles with different atomistic structural characteristics // Materials Characterization. 2007. V. 58(8-9). P. 694-700. https://doi.org/10.1016/j.mat-char.2006.11.032.
16. Lu D.L., Tanaka K. Gold particles deposited on electrodes in salt solutions under different potentials // The Journal of Physical Chemistry. 1996. V. 100(5). P. 1833-1837. https://doi.org/10.1021/jp952183v.
17. Huang H., Yang X. One-step, shape control synthesis of gold nanoparticles stabilized by 3-thiopheneacetic acid // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2005. V. 255(1-3). P. 11-17. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2004.12.020.
18. Finot M.O., Braybrook G.D., McDermott M.T. Characterization of electrochemically deposited gold nanocrystals on glassy carbon electrodes // Journal of Electroanalytical Chemistry. 1999. V. 466(2). P. 234-241. https://doi.org/10.1016/S0022-0728(99)00154-0.
19. Srinivasan V., Weidner J.W. An electrochemical route for making porous nickel oxide electrochemical capacitors // Journal of the Electrochemical Society. 1997. V. 144(8). P. L210. https://doi.org/10.1149/1.1837859.
20. Therese G.H.A., Kamath P.V. Electrochemical synthesis of metal oxides and hydroxides // Chemistry of materials. 2000. V. 12(5). P. 1195-1204. https://doi.org/10.1021/cm990447a.
21. Kholin, K. V., Soloviev, E. A., Enders, P. Y., Sultanov, T. P., Mansurov, R. N., Minzanova, S. T. Electrocatalytic Hydrogen Evolution Reaction with a Manganese-Containing Nanocomposite // High Energy Chemistry. 2023. V. 57 (Suppl 1). P. S213-S217. https://doi.org/10.1134/S0018143923070214.
22. Kholin, K. V., Enders, P. Y., Soloviev, E. A., Drobyshev, S. V., Mansurov, R. N., Minzanova, S. T. Glassy Carbon Surface Modification with Iron-Containing Nanoparticles // High Energy Chemistry. 2023. V. 57 (Suppl 1). P. S32-S36. https://doi.org/10.1134/S0018143923070202.
23. Khazaei A., Rahmati S., Saednia S. An efficient ligand-and copper-free Sonogashira reaction catalyzed by palladium nanoparticles supported on pectin // Catalysis Communications. 2013. V. 37. P. 9-13. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2013.03.013.
24. Al-Muhanna M.K.A., Hileuskaya K.S., Kulikouskaya V.I., Kraskouski A.N., Agabekov V.E. Preparation of stable sols of silver nanoparticles in aqueous pectin solutions and properties of the sols // Colloid journal. 2015. V. 77. P. 677-684. https://doi.org/10.1134/S1061933X15060022.
25. Tummalapalli M., Deopura B.L., Alam M.S., Gupta B. Facile and green synthesis of silver nanoparticles using oxidized pectin // Materials Science and Engineering: C. 2015. V. 50. P. 31-36. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.01.055.
26. Kadirov M.K., Minzanova S.T., Nizameev I.R., Mironova L.G., Gilmutdinov I.F., Khrizanforov M.N., Kholin K.V., Khamatgalimov A.R., Semyonov V.A., Morozov V.I., Kadirov D.M., Mukhametzyanov A.R., Budnikova Y.H., Sinyashin O.G. Correction: A nickel-based pectin coordination polymer as an oxygen reduction reaction catalyst for proton-exchange membrane fuel cells // Inorganic Chemistry Frontiers. 2019. V. 6(1). P. 326. https://doi.org/10.1039/C8QI90050G.
27. Холин К.В., Минзанова С.Т., Широбоков В.П., Кадиров М.К. Электрохимия комплексов никеля с пектатом натрия в ходе восстановления на золотом, платиновом и стеклоуглеродном электродах в присутствии СО2 // Вестник Технологического университета. 2019. Т. 22. № 9. С. 5-9.
28. Kholin K.V., Shirobokov V.P., Nizameev I.R., Minzanova S.T., Kadirov M.K. Catalytic properties of nanostructured nickel-containing pectin biopolymers on a glassy carbon surface // Journal of Physics: Conference Series. 2020. V. 1695(1). P. 012050. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1695/1/012050.
29. Kholin K.V., Nizameeva G.R., Minzanova S.T., Kadirov M.K. Data of characterization of sodium pectate complexes with iron and manganese // Data in Brief. 2021. V. 39. P. 107594. https://doi.org/10.1016/j.dib.2021.107594.
30. Kholin K.V., Khrizanforov M.N., Babaev V.M., Nizameeva G.R., Minzanova S.T., Kadirov M.K., Budnikova Y.H. A Water-Soluble Sodium Pectate Complex with Copper as an Electrochemical Catalyst for Carbon Dioxide Reduction // Molecules. 2021. V. 26(18). P. 5524. https://doi.org/10.3390/molecules26185524.