Розкрито можливості методу гальванічного заміщення в формуванні металевої наноструктурованої поверхні для електрокаталітичних процесів. Ґрунтуючись на електрохімічному механізмі процесу та, враховуючи тип підкладки, наведено такі напрями застосування цього методу: модифікація поверхні металів та синтез металевих наноструктур. Основними способами підготування електрокаталізаторів на основі наноструктурованих металевих систем одержаних гальванічним заміщенням є: 1) заміщенням безпосередньо на металеву поверхню електрода; 2) фіксація на поверхню електрода попередньо синтезованих наноструктур. Розглянуто особливості модифікації мідної, срібної та нікелевої поверхні каталітично активними металами: Pt, Pd, Au, Ag, Ir. Встановлено, що нанесення на металеву поверхню наноструктурного осаду іншого металу чи біметалу призводить до утворення системи метал/підкладка, яка характеризується новими функціональними властивостями. Умовами гальванічного заміщення можна регулювати розмірність та морфологію металевого осаду і відповідно електрокаталітичні властивості електродів на їх основі.
Показано, що метод гальванічного заміщення як керованого синтезу моно- та біметалевих наноматеріалів найбільш вивчений для систем Ag/Pt, Cu/Pt, Cu/Au, Cu/Pd, Ni/Pd, Ni/Pt, Сo/Pt. Шаблоном для синтезу наноструктур переважно слугують стабілізовані нанокуби міді, срібла, нікелю та нонодроти міді. При тому гальванічним заміщенням одержують порожнинні наноструктури та структури типу ядро@оболонка.
Серед успіхів у напрямі модифікації поверхні продемонстровано ефективність осадження наноструктурних металів гальванічним заміщенням у середовищі органічних апротонних розчинників та іонних рідин. Відзначено роль середовища у керованому формуванні геометрії частинок металевого осаду й відповідно ефективності електрокаталітичних реакцій.
1. Yae, S., Morii, Y., Fukumuro, N., Matsuda, H. (2012). Catalytic activity of noble metals for metal-assisted chemical etching of silicon. Nanoscale Research Letters, 7, 352.
https://doi.org/10.1186/1556-276X-7-352
2. Chen, L., Jing, Q., Chen, J., Wang, B., Huang, J., Liu, Y. (2013). Silver nanocrystals of various morpho¬logies deposited on silicon wafer and their applications in ultrasensitive surface-enhanced Raman scattering. Materials characterization, 85, 48-56.
https://doi.org/10.1016/j.matchar.2013.09.001
3. Russo, L., Merkoci, F., Patarroyo, J., Piella, J., Merkoc, A., Bastus, N. G., Puntes, V. (2018). Time- and Size-Resolved Plasmonic Evolution with nm Resolution of Galvanic Replacement Reaction in AuAg Nanoshells Synthesis. Chemistry of Materials, 30, 5098-5107.
https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.8b01488
4. Katas, H., Moden, N. Z., Lim, C. S., Celesistinus, T., Chan, J. Y., Ganasan, P., Abdalla, S. (2018). Biosynthesis and Potential Applications of Silver and Gold Nanoparticles and Their Chitosan-Based Nanocom¬posites in Nanomedicine. Journal of Nanotechnology, 4290705, 13.
https://doi.org/10.1155/2018/4290705
5. Papaderakis, A., Mintsouli, I., Georgieva, J., Sotiropoulos, S. (2017). Electrocatalysts Prepared by Galvanic Replacement. Journal of Catalysis, 80, 34.
https://doi.org/10.3390/catal7030080
6. Reis Machado, A. S., Nunes da Ponte, M. (2018). CO2 capture and electrochemical conversion. Green and Sustainable Chemistry, 11, 86-90.
https://doi.org/10.1016/j.cogsc.2018.05.009
7. Кунтий, О. І. (2008). Електрохімія і морфологія дисперсних металів. Монографія. Львів: НУ "ЛП", 208.
8. Zhang, X., Zhou, Y., Zhang, B., Zhan, J. (2017). An improved galvanic replacement deposition method for synthesis of compact palladium coatings on copper substrates. Materials Letters, 15, 75-78.
https://doi.org/10.1016/j.matlet.2017.03.119
9. Xia, X., Wang, Y., Ruditskiy, A., Xia, Y. (2013). 25th anniversary article: galvanic replacement: a simple and versatile route to hollow nanostructures with tunable and well-controlled properties. Advanced Materials, 25, 6313-6333.
https://doi.org/10.1002/adma.201302820
10. Papaderakis, A., Pliatsikas, N., Prochaska, C., Papazisi, K. M., Balomenou, S. P., Tsiplakides, D., Patsalas, P., Sotiropoulos, S. (2014). Ternary Pt-Ru-Ni catalytic layers for methanol electrooxidation prepared by electrodeposition and galvanic replacement. Frontiers in Chemistry, 2, 29.
https://doi.org/10.3389/fchem.2014.00029
11. Papaderakis, A., Pliatsikas, N., Prochaska, C., Vourlias, G., Patsalas, P., Tsiplakides, D., Balomenou, S., Sotiropoulos, S. (2016). Oxygen evolution at IrO2 shell-Ir-Ni core electrodes prepared by galvanic replacement. The Journal of Physical Chemistry C, 120, 19995-20005.
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b06025
12. Brankovic, S. R., Wang, J.X., Adži'c, R. R. (2001). Metal monolayer deposition by replacement of metal adlayers on electrode surfaces. Surface Science, 474, L173-L179.
https://doi.org/10.1016/S0039-6028(00)01103-1
13. Brankovic, S.R., McBreen, J., Adži'c, R. R. (2001). Spontaneous deposition of Pt on the Ru(0001) surface. Journal of Electroanalytical Chemistry, 503, 99-104.
https://doi.org/10.1016/S0022-0728(01)00349-7
14. Kokkinidis, G., Stoychev, D., Lazarov, V., Papoutsis, A., Milchev, A. (2001). Electroless deposition of Pt on Ti: Part II. Catalytic activity for oxygen reduc¬tion. Journal of Electroanalytical Chemistry, 511, 20-30.
https://doi.org/10.1016/S0022-0728(01)00505-8
15. Van Brussel, M., Kokkinidis, G., Hubin, A., Buess-Herman, C. (2003). Oxygen reduction at platinum modified gold electrodes. Electrochimica Acta, 48, 3909-3919.
https://doi.org/10.1016/S0013-4686(03)00529-2
16. Rezaei, B., Saeidi-Boroujeni, S., Havakeshian, E., Ensafi, A. A. (2016). Highly efficient electrocatalytic oxidation of glycerol by Pt-Pd/Cu trimetallic nanostructure electrocatalyst supported on nanoporous stainless steel electrode using galvanic replacement. Electrochimica Acta, 203, 41-50.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.04.024
17. Kang, Y., Chen. F. (2013). Preparation of Ag-Cu bimetallic dendritic nanostructures and their hydrogen peroxide electroreduction property. Journal of Applied Electrochemistry, 43, 667-677.
https://doi.org/10.1007/s10800-013-0563-0
18. Balkis, A., Crawford, J., O'Mullane, A. P. (2018). Galvanic Replacement of Electrochemically Restructured Copper Electrodes with Gold and Its Electrocatalytic Activity for Nitrate Ion. Nanomaterials. 8, 756.
https://doi.org/10.3390/nano8100756
19. Rezaei, B., Mokhtarianpour, M., Ensafi, A. (2015). Fabricated of bimetallic Pd/Pt nanostructure deposited on copper nanofoam substrate by galvanic replacement as an effective electrocatalyst for hydrogen evolution reaction. Hydrogen energy, 1-9.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.03.122
20. Podlovchenko, B. I., Maksimov, Yu. M., Mas-lakov, K. I., Volkov, D. S., Evlashin, S. A. (2017). Galvanic displacement and electrochemical leaching for synthesizing Pd-Ag catalysts highly active in FAOR. Electroanalytical Chemistry, 788, 217-224.
https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2017.02.012
21. Chena, C., Zhangb, B., Zhongb, J., Cheng Z. (2017). Selective electrochemical CO2 reduction over highly porous gold films. Materials Chemistry A, 5,21955-21964.
https://doi.org/10.1039/C7TA04983H
22. Papaderakis, A., Prochaska, C., Pliatsikas, N., Patsalas, P. (2016). Oxygen Evolution at IrO2 Shell−Ir−Ni Core Electrodes Prepared by Galvanic Replacement. The Journal of Physical Chemistry C, 120, 19995-20005.
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b06025
23. Rong, Z. J., Zhang, Q., Siwal, S. S. (2019). Galvanic Replacement-Mediated Synthesis of Ni-Supported Pd Nanoparticles with Strong Metal-Support Interaction for Methanol Electro-oxidation. Small.
24. Niu, X., Xiong, Q., Li, X., Zhang, W. (2017). Incorporating Ag into Pd/Ni Foam via Cascade Galvanic Replacement to Promote the Methanol Electro-Oxidation Reaction. Journal of The Electrochemical Society, 164, 651-657.
https://doi.org/10.1149/2.1551706jes
25. Hosseini, G., Abdolmaleki, M., Daneshvari Esfahlan, V. (2017). Porous Co/Co-Ni-Pt nanostructures prepared by galvanic replacement towards methanol electro-oxidation. Porous Materials, 24, 305-313.
https://doi.org/10.1007/s10934-016-0264-2
26. Bansal, V., O'Mullane, A. P., S.K. Bhargava, S. K. (2009). Galvanic replacement mediated synthesis of hollow Pt nanocatalysts: Significance of residual Ag for the H2 evolution reaction. Electrochemistry Commu-nications, 11, 1639-1642.
https://doi.org/10.1016/j.elecom.2009.06.018
27. Li, Q., Wu, G., Xu, P., Zhao, H. (2013). Self-supported Pt nanoclusters via galvanic replacement from Cu2O nanocubes as efficient electrocatalysts. Nanoscale, 5, 7397-7402.
https://doi.org/10.1039/c3nr02243a
28. Mintsouli, I., Georgieva, J., Papaderakis, A., Armyanov, S. (2016). Methanol oxidation at platinized copper particles prepared by galvanic replacement. Journal of Electrochemical Science and Engineering, 6(1), 17-28.
29. Mathurin, L. E., Benamara, M., Tao, J., Zhu, Y. (2018). Tailoring the Surface Structures of CuPt and CuPtRu 1D Nanostructures by Coupling Coreduction with Galvanic Replacement. Particle Systems Charac-terization, 35.
https://doi.org/10.1002/ppsc.201800053
30. Mintsouli, I., Georgieva, J., Armyanov, S., Valova, E. (2013). Pt-Cu electrocatalysts for methanol oxidation prepared by partial galvanic replacement of Cu/carbon powder precursors. Catalysis B: Environmental, 136-137, 160-167.
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.01.059
31. Podlovchenko, B. I., Krivchenko, V. A., Maksimov, Y. M., Gladysheva, T. D. Specific features of the formation of Pt(Cu) catalysts by galvanic displacement with carbon nanowalls used as support. Electrochimica Acta, 76, 137-144.
https://doi.org/10.1016/j.electacta.2012.04.124
32. Geboes, B., Mintsouli, I., Wouters, B., Georgieva, J. (2014). Surface and electrochemical characterisation of a Pt-Cu/C nano-structured electrocatalyst, prepared by galvanic displacement. Applied Catalysis B: Envi-ronmental, 150-151, 249-256.
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2013.12.020
33. Zhou, J., Lan, D., Yang, S., Guo, Y. (2018). Thin-wall hollow Au-Cu nanostructures with high efficiency in electrochemical reduction of CO2 to CO. Inorganic Chemistry Frontiers, 5, 1524-1532.
https://doi.org/10.1039/C8QI00297E
34. Farsadrooh, M., Noroozifar, M., Modarresi-Alam, A., Saravani, H. (2019). Sonochemical synthesis of high-performance Pd@CuNWs/MWCNTs-CH electrocatalyst by galvanic replacement toward ethanol oxidation in alkaline media. Ultrasonics Sonochemistry, 51, 478-486.
https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.06.011
35. Maitya, S., Harisha, S., Eswaramoorthy, M. (2019). Controlled galvanic replacement of Ni in Ni(OH)2 by Pd: A method to quantify metallic Ni and to synthesize bimetallic catalysts for methanol oxidation. Materials Chemistry and Physics, 221, 377-381.
https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2018.09.071
36. Van Vinh, P., Ta, V. (2017). Synthesis of NiPt alloy nanoparticles by galvanic replacement method for direct ethanol fuel cell. Hydrogen energy, 42, 13192-13197.
https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.01.236
37. Hu, S., Ribeiro, E., Tian, M., Mukherjee, D. (2016). Tandem laser ablation synthesis in solution-galvanic replacement reaction (LASiS-GRR) for the production of PtCo nanoalloys as oxygen reduction electrocatalysts. Journal of Power Sources, 306, 413-423.
https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2015.11.078
38. Hu, S., Goenaga, G., Melton, C., Zawodzinski, T. (2016). PtCo/CoOx Nanocomposites: Bifunctional Electrocatalysts for Oxygen Reduction and Evolution Reactions Synthesized via Tandem Laser Ablation Synthesis in Solution-Galvanic Replacement Reactions. Catalysis B: Environmental, 182, 286-296.
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.09.035
39. Hsu, C., Huang, C., Hao, Y., Liu, F. (2012). Au/Pd core-shell nanoparticles for enhanced electrocatalytic activity and durability. Electrochemistry Communications, 23, 133-136.
https://doi.org/10.1016/j.elecom.2012.07.027
40. Kuntyi, O., Shepida, M., Sus, L., Zozulya, G., Korniy, S. (2018). Modification of silicon surface with silver, gold and palladium nanostructures via galvanic substitution in DMSO and DMF solutions. Chemistry & Chemical Technology, 12, 305-309.
https://doi.org/10.23939/chcht12.03.305
41. Dobrovets'ka, O., Kuntyi, O., Zozulya, G., Saldan, I., Reshetnyak, O. (2015). Galvanic deposition of gold and palladium on magnesium by the method of substitution. Materials Science, 51, 418-423.
https://doi.org/10.1007/s11003-015-9857-1
42. Kuntyi, О., Zozulya, G., Shepida, M., Nichkalo, S.(2019). Deposition of nanostructured metals on the surface of silicon by galvanic replacement: a mini-review. Voprosy khimii i khimicheskoi tekhnologii, 124(3),74-82.
https://doi.org/10.32434/0321-4095-2019-124-3-74-82
43. Lahiri, A., Pulletikurthi, G., Endres, F. (2019). A Review on the Electroless Deposition of Functional Materials in Ionic Liquids for Batteries and Catalysis. Frontiers in Chemistry, 7, 13.
https://doi.org/10.3389/fchem.2019.00085