166010 (Твердофазные потенциометические сенсоры, селективные к ванадий и вольфрамсодержащим ионам), страница 2

На рис.5 приведены результаты оптических исследований вольфрамовой бронзы состава NaW0₃. Пики 960 см» ¹ и 870 см¹, присутствующие во всех спектрах, говорят о наличии связи W - О. Полосы 1390 см и 1110 см» указывают на присутствие гидроксильных групп, соединённых с атомом W. Полосу 1110 см¹ можно также отнести к колебаниям ионов гидроксония. Судя по интенсивности этой полосы, количество ионов Н_эО⁺ достаточно велико. В данном случае, видимо, происходит проникновение и связывание ионов Н₃0⁺ в поверхностном слое кристаллической структуры бронзы, что говорит о непосредственном участии протонов в процессе переноса заряда и наличии ионной составляющей проводимости. При этом, поскольку в, структуре бронзы имеется ~50% незанятых вакантных позиций натрия, то прогон (или ион гидроксония) размещается по этим вакантным местам. Электронной компенсацией заряда должен служить переход электрона с d-орбитали вольфрама в зону проводимости оксидной бронзы. На наличие связанной воды указывают полосы 3520 см» ¹ и 1630 см» ¹.

Таким образом, в рассмотренных соединениях имеются три типа связанной воды: 1) в виде гидроксилов, соединённых с атомом W; 2) ионов гидроксония, внедренных в кристаллическую структуру бронзы; 3) молекул воды, находящихся в адсорбированном состоянии.

ИК-спектры: 1 - рабочий раствор; 2 - бронза NaW03 после потенциометрических измерений.

В главе 4

рассмотрены особенности кристаллической структуры оксидных ванадиевых бронз и их физико-химические свойства На основании этого установлен оптимальный состав активного материала и конструкция электродов. Использовалось следующее весовое соотношение компонентов - (ПВХ + ТГФ): Na33V₂0₅ = 3:1.

Результаты термогравиметрических исследований оксидной ванадиевой бронзы приведены на рис.6. Бронза состава NaCb, имея большую энергию кристаллической решетки, окисляется с фиксируемой скоростью около 655-660°С (кривая ДТГ). Значительная скорость в начале окисления через некоторый промежуток времени уменьшается и затем снова возрастает. На кривых ДТА отмечено два эндотермических эффекта.

Соединения p-NaOs принадлежат к моноклинной сингонии и образуются в результате внедрения катионов металлов в кристаллические пустоты оксида. В открытых пространствах - туннелях, вытянутых вдоль оси у, располагаются катионы внедрения. Бронзы обладают ионной и электронной проводимостью. Ионная проводимость этих бронз относительно низка (Ом -см» ¹) и максимальна вдоль туннелей, обеспечивается ионами Na⁺ и Н*, образующимися за счёт ионного обмена с исследуемой жидкой фазой. Преобладает электронная проводимость (0,77 Ом - см» ¹), которая зависит от соотношения ионов 4-и 5- валентного ванадия. Она имеет полупроводниковый характер типа Е.

Ионоселективные свойства изучали в растворах метаванадатов Na и аммония при постоянном значении рН (1,5-2,0; 5,0-6,0). Кислая среда обеспечивается делокалированными d - элекронами.

Водородную функцию электродов изучали в растворах соляной кислоты. Электрод работает как водородный в диапазоне рН 1-7. Зависимость изменения потенциала электрода от рН раствора НС1 создавалась с помощью НС1. Ионную силу исследуемых растворов (0,2моль/л) поддерживали добавлением NaCl. Измерения проводили при постоянной температуре 25°С и непрерывном перемешивании.

Время отклика электрода составляет согласно рис.3 около 2мин. (кривые 1 и 2). Время отклика ванадийселективного электрода имеет близкое значение в условиях перемешивания (2,4 мин.) и без него (2,6 мин.). Неизменность динамических характеристик при уменьшении толщины водного диффузионного слоя показывает, что диффузия ионов через приэлектродный слой не является лимитирующей стадией.

Влияние толщины активного материала на время отклика электродов проверено для рН 1,5-2,0. Получено, что с увеличением толщины активного слоя величина времени отклика остаётся практически постоянной, что объясняется преимущественно электронной проводимостью бронзы.

Полученные экспериментальные данные и проведённые расчёты показали, что динамика установления равновесного потенциала, как и в случае вольфрамселективного электрода, описывается уравнением (4).

Согласно рис.8 при рН=1,5-2,0 ванадий (5+) существует в виде катиона V0₂⁺. Зависимость потенциала электрода от концентрации V0₂⁺ линейна в диапазоне концентраций 10»'-10'⁵моль/л (рис.9) и с надёжностью 95% описывается эмпирическим уравнением. В нейтральной среде (рН=6,0) пятивалентный ванадий находится в виде аниона V0₃” (рис.8). Зависимость потенциала от концентрации VCV линейна в интервале 10» ²-10» ⁵моль/л (рис.9) и с надёжностью 95% описывается эмпирическим уравнением:

E = (339,0_±l,0)-(58,0_±0,7)-lg[VO₃], мВ. (14)

При увеличении концентрации до 10*'моль/л, как видно из диаграммы, пятивалентный ванадий переходит в более сложные формы, что затрудняет его определение.

В измеряемом интервале концентраций, как в кислой, так и в среде, близкой к нейтральной, независимо от анионной (V0₃) или катионной формы (V0₂) концентрационная зависимость потенциала подчиняется уравнению Нернста с одинаковым абсолютным значением углового коэффициента 2,303RT/nF, близкого к теоретическому значению - 59,2мВ при 25°С, что соответствует п = 1, то есть, в обоих случаях потенциалопределяющая реакция предположительно протекает с участием одного электрона соответственно процессу V⁺ - V⁴⁺, что характерно как для катионной, так и для анионной форм:

V0₂⁺+ 2Н⁺ + е - о V0²⁺ + Н₂0,

VCV+ 41-Г+ e -VCr + 2Н₂0.

Это подтверждается фазовой диаграммой для исследуемых диапазонов рН. При этом увеличение концентрации ионов VO ⁺, связанное с уменьшением степени окисления ванадия, стимулирует образование свободных d - электронов, способствующих организации зон проводимости.

Коэффициенты селективности, определённые методом смешанных растворов, представлены.

Присутствие анионов SO², F, СГ, СЮ₄, N0₃ не влияет на потенциал электрода.

Оптические исследования ванадий - селективного электрода показали наличие связанной воды аналогично вольфрам - селективному электроду.

В главе 5

на основе разработанных рабочих электродов предложена конструкция твердофазных потенциометрических сенсоров на ионы переходных металлов.

Основные электрохимические характеристики сенсоров приведены в табл.2.

Таблица 2 Основные электрохимические характеристики твердофазных сенсоров

Для доказательства обратимости процессов в твердофазных потенциометрических сенсорах измеряли ЭДС цепей (6) при изменении температуры 18°->40^о-»18^о. На основании полученных данных были рассчитаны температурные коэффициенты потенциала в 10» ²-10» ³М растворах (Да = 0,19 ± 0,01мВ/град.). Совпадение рассчитанных величин с теоретическим значением (0,18 ± 0,01мВ/град.) свидетельствует об отсутствии необратимых процессов в исследуемых электродах.

Анализ особенностей кристаллической структуры бронз и результатов настоящей работы позволяет сделать некоторые предположения относительно возникновения потенциала электродов в растворах кислоты и солей. В кристаллической решётке бронзы переходный металл находится в двух степенях окисления. Следовательно, основным механизмом водородной функции электрода является окислительно-восстановительный за счёт потенциалобразующей реакции: М_хЭ₂О_п + 2Н⁺ + 2е = МО + Н₂0. (15)

Если считать, что в твёрдой фазе активности окисленной и восстановленной форм автоматически устанавливаются постоянными, то и электрод функционирует как водородный. Высокая устойчивость оксидных бронз натрия к воздействию кислот создает предпосылки для сохранения водородной функции в диапазоне рН 1,0-6,0 для ванадиевой бронзы и 1,0-13,8 для вольфрамовой. Существенный вклад в ЭДС твердофазного сенсора. Итак, одинаковый преимущественный механизм проводимости в активном электродном веществе и токоотводе позволил создать полностью твердофазные сенсоры, которые обладают водородной и металлической функцией в широком диапазоне концентраций, высокой селективностью в присутствии ряда ионов, малым временем отклика.

Глава 6

посвящена аналитическим возможностям разработанных сенсоров.

Высокая селективность сенсора к четырёхвалентному ванадию позволяет экспрессно проводить фазовый анализ активных катодов ХИТ на содержание V(5+) и V(4+) при разработке технологий их изготовления, а также использовать для прямого -потенциометрического определения пятивалентного ванадия в промышленных растворах, содержащих ионы аммония, железа, никеля, щелочных металлов.

Для сравнения концентрацию ванадия при анализе активной массы

Разработана методика экспрессного потенциометрического определения вольфрама в молибден - вольфрамовых сплавах (50%:50%). Для подтверждения правильности полученных результатов была использована методика титриметрического определением вольфрама в присутствии молибдена. Полученные результаты представлены в табл.4.

Таблица 3 Результаты (моль/л) определения ванадия(+5) в растворах при коэффициенте надёжности 95%

Преимущество использования разработанных твердофазных сенсоров по сравнению с известными методами заключается в том, что проведение анализа по представленным методикам не требует сложной пробоподготовки, время анализа - 2-5мин. (длительность анализа по известной методике определения вольфрама составляет около 8 час).

1. Предложен твердофазный потенциометрический сенсор, селективный к одновалентным ионам ванадия(5+); определены его основные электрохимические и аналитические характеристики. Установлено, что зависимость потенциала от концентрации подчиняется уравнению Нернста с угловым коэффициентом 59,4 + 0,8 мВ/С, соответствующим одноэлектронному переходу V0₂⁺ - V0²⁺ при рН 1,5-2,0 (катионная функция). При рН 5,0-6,0 наблюдается зависимость потенциала от концентрации, соответствующая переходу VO3* -* VO²^ (анионная функция), угловой коэффициент 58+0,7 мВ/С.

2. Предложен сенсор на основе бронзы Na₉W03 для потенциометрического определения вольфрама(6+). Установлено, что зависимость потенциала от концентрации подчиняется уравнению Нернста с угловым коэффициентом 59,2±0,8 мВ мВ/С, соответствующим одноэлектронному переходу при рН 3,0.

3. На основе рассчитанных температурных коэффициентов установлено, что процессы, протекающие на фазовых границах, являются обратимыми. Определено, что лимитирующей стадией в формировании скачка потенциала является релаксация распределения ионов в «приповерхностном слое электрода.

4. На основе изучения оптических свойств определён механизм формирования скачка потенциала, связанный с инжекцией протона из водного раствора в поверхностный слой бронзы с параллельной компенсацией заряда путем перехода е - Э⁺

5. Определены динамические характеристики электродов. Временная зависимость потенциала подчиняется уравнению твердофазной диффузионной релаксации.

6. Выявлено влияние материала токоотвода на электрохимическое поведение ванадий - селективного твёрдоконтактного сенсора показано, что никелевый токоотвод не является инертным. Преимуществом обладает сенсор с графитовым токоподводом.

7. Методом смешанных растворов были определены коэффициенты потенциометрической селективности сенсоров по отношению к ряду сопутствующих ионов.

8. Разработаны и внедрены методики потенциометрическото определения ионов ванадия(5+) и вольфрама(6+).

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах: