Механізм продукції водню в процесах радіаційного гетерогенного розшпилення води за наявностю нано-металу та нано-МеО
Анотація
У дослідженні визначено оптимальні значення відношення відстані між частинками до розміру частинок при радіаційно-гетерогенному радіолізі води в системах нано-Ме та нано-МеО. У цих системах розглядався вплив густини води та температури системи на радіаційно-хімічне виділення молекулярного водню, отриманого при термічному та радіаційно-термічному розкладанні води. У статті також визначено вплив розмірів частинок і типу взятої проби на радіаційно-хімічний вихід молекулярного водню. У представленій статті досліджено зміну молекулярного водню залежно від адсорбованої води та каталізатора. Так, у разі суспензії наноцирконію у воді енергія електронів, що вилітають з металу, повністю передається молекулам води, що призводить до збільшення виходу водню. При радіолізі води в присутності нанометалів передача енергії може здійснюватися в основному за участю випущених електронів. Отже, при радіолізі води в суспензії з n-Zr вихід водню збільшується в 5,4 рази порівняно з процесами радіолізу в адсорбованому стані. Однак при радіаційно-гетерогенних процесах отримання водню з води, що контактує з металевими системами, необхідно враховувати, що в результаті цих процесів відбувається поверхневе окислення і через певний час системи перетворюються на n‑Me-MeO+H2Oliq системи. Для нанорозмірних оксидних сполук довжина вільного пробігу вторинних електронів, що утворюються в результаті первинних процесів взаємодії квантів з атомами, співмірна з розмірами частинок нанооксидів (λ ≈ R_(H-оксиди)). Далі ці електрони взаємодіють з електронною підсистемою кремнію. Для нанокаталізаторів довжина вільного пробігу вторинних і наступних поколінь електронів перевищує розмір частинок каталізатора (R_cat≤100 нм). Зазвичай їх енергії достатньо для проведення самостійних радіолітичних процесів у контактному середовищі каталізатора.
Завантаження
Посилання
M. Alam, F. Miserque, M. Taguchi, and L. Boulanger, “Renanli Tuning hydrogen production during oxide irradiation through surface grofting,” J. Mater Chem. 19, 4261-4267 (2009). https://doi.org/10.1039/B901936G
R. Yamada, Y. Hatano, and Z. Yoshida, “Hydrogen production of aqueous sulfuric acid solutions containing Al2O3, SiO2, TiO2 or ZrO2 fine particles,” Int. J. Hydrogen Energy, 33, 929-936 (2008). https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2007.11.028
S. Le Caёr, “Water radiolysis: Influence of oxide surfaces on H2 production under ionizing radiation,” Water, 3(1), 235-353 (2011). https://doi.org/10.3390/w3010235
N.G. Petrik, A.B. Alexandrov, and A.I. Vall, “Interfaced energy transfer during gamma radiolysis of water on the surface of ZrO2 and some other oxides,” J. Phis. Chem. B, 105, 5935-5944 (2001). https://doi.org/10.1021/jp004440o
J.A. LaVerne, and L. Tandon, “H2 production in the radiolysis of water on CeO2 and ZrO2,” The Journal of Physical Chemistry B, 106, 380-386 (2002). https://doi.org/10.1021/jp013098s
J.A. LaVerne, and S.E. Tonnies, “H2 production in the radiolysis of aqueous SiO2. Suspensions and Slurries,” The Journal of Physical Chemistry B, 107, 7277-7280 (2003). https://doi.org/10.1021/jp0278418
K. Skotnicki, and K. Bodrowski, “Molecular hydrogen formation during water radiolysis in the presence of zirconium dioxide,” J. Radioanal Nucl. Chem. 304, 473-480 (2014). https://doi.org/10.1007/s10967-014-3856-9
C. Fourdrin, H. Aarrachi, C. Latrille, S. Esnouf, F. Bergaya, and S.Le. Caer, “Water Radiolysis in Excahnged-Montmorillonites: The H2 Production Mechanisms,” Environ. Sci. Technol. 47, 9530-9537 (2013). https://doi.org/10.1021/es401490t
T.N. Agayev, A.A. Garibov, G.T. Imanova, and S.Z. Melikova, “Radiation-induced heterogeneous processes of water decomposition in the presence of mixtures of silica and zirconia nanoparticles,” J. High Energy Chemistry, 52(2), 145-151 (2018). https://doi.org/10.1134/S0018143918020029
I.I. Mustafayev, and H.M. Mahmudov, “Radiation-thermal desulphurization of organic fuels”, J. of Radiation Researches, 2(2), 65–70 (2015).
L.Y. Jabbarova, I.I. Mustafayev, R.Y. Akbarov, and A.S. Mirzayeva, “Study of post-radiation processes in model hexane/hexene binary systems,” J. of Radiation Research, 9(1), 58–63 (2022).
E.A. Carrasco-Flores, and J.A. LaVerne, “Surface species produced in the radiolysis of zirconia nanoparticles,” J. Chem. Phys. 127, 234703 (2007). https://doi.org/10.1063/1.2806164
O. Roth, B. Dahlgren, and J.A. La Verne, “Radiolysis of Water on ZrO2 Nanoparticles,” J. Phys. Chem. C, 116, 17619-17624 (2012). https://doi.org/10.1021/jp304237c
A.R. Puigdollers, F. Illas, and G. Pacchioni, “Reduction of Hydrogenated ZrO2 Nanoparticles by Water Desorption,” ACS Omega, 2, 3878-3885 (2017). https://doi.org/10.1021/acsomega.7b00799
S. Le Caër, P. Rotureau, F. Brunet, T. Charpentier, G. Blain, J.P. Renault, and J.-C. Mialocq, “Radiolysis of Confined Water: Hydrogen Production at a High Dose Rate,” Chem. Phys. Chem. 6, 2585-2596 (2005). https://doi.org/10.1002/cphc.200500185
J.A. LaVerne, and S.M. Pimblott, “New mechanism for H2 formation in Water,” J. Phys. Chem. B, 104, 9820-9822 (2000). https://doi.org/10.1021/jp002893n
O.D. Roth, and J.A. LaVerne, “Radiolysis of Water on ZrO2 Nanoparticles,” J. Phys. Chem. C, 116, 17619-17624 (2012). https://doi.org/10.1021/jp304237c
J. McGrady, S. Yamashita, A. Kimura, S. Kano, H. Yang, Z. Duan, T. Sato, et al., "γ-radiation effects on metal oxide particles and their wetted surfaces," Journal of Nuclear Science and Technology, 57, 463-471 (2019). https://doi.org/10.1080/00223131.2019.1691075
S. Le Caër, “Water Radiolysis: Influence of Oxide Surfaces on H2 Production under Ionizing Radiation,” Water, 3, 235-253 (2011). https://doi.org/10.3390/w3010235
H. Ouerdane, B. Gervais, H. Zhou, M. Beuve, and J.-Ph. Renault, “Radiolysis of Water Confined in Porous Silica: A Simulation Study of the Physicochemical Yelds,” J. Phys. Chem. C, 114, 12667-12674 (2010). https://doi.org/10.1021/jp103127j
T. Miyazaki, Y. Kuroda, and K. Marishige, “Interaction of the surface of BeO with water: in connection with the two – Deminsional Condensation of water,” J. Colloid and Interface Sci. 106(1), 154-160 (1985). https://doi.org/10.1016/0021-9797(85)90391-1
A. Hofmann, S.J. Clark, M. Oppel, and I. Hahndorf, “Hydrogen adsorption on the tetragonal ZrO2(101) surface: a theoretical study of an important catalytic reactant,” Phys. Chem. Chem. Phys, 4, 3500-3508 (2002). https://doi.org/10.1039/B202330J
Y. Kumagai, A. Kimura, M. Taguchi, R. Nagaishi, I. Yamagishi, and T. Kimura, “Hydrogen production in gamma radiolysis of the mixture of mordenite and seawater,” Journal of Nuclear Science and Technology, 50(2), 130-138 (2013). https://doi.org/10.1080/00223131.2013.757453
V F. Crumière, J. Vandenborre, R. Essehli, G. Blain, J. Barbet, and M. Fattahi, “LET effects on the hydrogen production induced by the radiolysis of pure water,” Radiation Physics and Chemistry, 82, 74-79 (2013). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2012.07.010
P. Rotureau, J.P. Renault, B. Lebeau, J. Patarin, and J.-C. Mialocq, “Radiolysis of Confined Water: Molecular Hydrogen Formation,” Chem. Phys. Chem. 6(7), 1316-1323 (2005). https://doi.org/10.1002/cphc.200500042
M.E. Dzaugis, A.J. Spivack, and S.D. Hondt, “A quantitative model of water radiolysis and chemical production rates near radionuclide-containing solids,” Radiation Physics and Chemistry, 115, 127-134 (2015). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2015.06.011
J.A. LaVerne, and L. Tandon, “H2 Production in the Radiolysis of Water on UO2 and Other Oxides,” J. Phys. Chem. B, 107(49), 13623–13628 (2003). https://doi.org/10.1021/jp035381s
S. Ismail-Beigi, and S.G. Louie, “Self-Trapped Excitons in Silicon Dioxide: Mechanism and Properties,” Phys. Rev. Lett, 95, 156401 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.156401
S.C. Reiff, and J.A. LaVerne, “Radiolysis of water with aluminum oxide surfaces,” J. Radiation Physics and Chemistry, 131, 46 50 (2017). https://doi.org/10.1016/j.radphyschem.2016.10.022
N.M. Dimitrijevic, A. Henglein, and D. Meisel, “Charge separation across the silica nanoparticle,” Water Interface, J. Phys. Chem. B, 103(34), 7073–7076 (1999). https://doi.org/10.1021/jp991378q
T. Schatz, A.R. Cook, and D. Meisel, “Capture of charge carries at the silica nanoparticle-water interface,” J. Phys. Chem. B, 103, 10209-10219 (1999).
D. Meisel, Radiation effects in nanoparticle suspensions. Nanoscale materials, 1st edition (Springer, Berlin, 2004).
S. Isamel-Beigi, and S.G. Louie, “Self-trapped excitons in silicon-dioxide: Mechanism and Properties,” Phys. Rev. Lett. 95, 156401 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.95.156401
V.P. Kovalev, Secondary electrons, (Energoatomizdat, Moscow, 1987). (in Russian)
Y.D. Jafarov, S.M. Bashirova, and S.M. Aliyev, “Dependence of the yield of molecular hydrogen obtained from radiation-heterogeneous decomposition of water on particle size of silica and filling rate of particle surface of water in Si+H2O system by the influence of gamma-quanta,” Journal of Radiation Researches, 4(2),16-23 (2017).
Авторське право (c) 2024 Аділь Гарібов, Ядігар Джафаров, Гюнель Іманова, Теймур Агаєв, Севіндж Баширова, Анар Алієв
Цю роботу ліцензовано за Міжнародня ліцензія Creative Commons Attribution 4.0.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
