Multivalent ions influence on electrical properties of tungsten (VI) oxide particles surface in hydrosols

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

In this work, electro–optical and electrophoretic studies of hydrosols containing tungsten (VI) oxide nanoparticles were carried out. The influence of multivalent ions (tetravalent thorium cation and trivalent lanthanum cation) on the zeta potential and polarizability of tungsten (VI) oxide particles was determined. The dispersion dependences of the polarizability of tungsten (VI) oxide particles have been studied. A strong dependence of the electrokinetic potential and a weak dependence of the polarizability of particles on the concentration of thorium and lanthanum cations in the sol were observed. The polarizability of particles was low and weakly depended on the frequency of the field which polarizes the particles. This is not typical for colloidal particles, the thickness of the dense part of the electrical double layer of which is comparable with the size of the molecules, and the polarization of the electrical double layer is determined by its diffuse part. The results obtained allowed us to conclude that for tungsten (VI) oxide particles in the studied concentration range, the predominant fraction of multiply charged counterions is located in the dense part of the electrical double layer, which is associated with their high adsorption potentials.

Full Text

Restricted Access

About the authors

O. S. Vezo

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: m.p.petrov@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

A. V. Voitylov

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: m.p.petrov@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

V. V. Vojtylov

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: m.p.petrov@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

L. E. Ermakova

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: m.p.petrov@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

M. P. Petrov

Санкт-Петербургский государственный университет

Author for correspondence.
Email: m.p.petrov@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

A. A. Trusov

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: m.p.petrov@spbu.ru
Russian Federation, Университетская наб., 7/9, Санкт-Петербург, 199034

References

  1. Патрушева Т.Н., Марченкова С.Г., Кротова И.В., Логунова Т.В., Холькин А.И. Прозрачные оксидные пленки для защиты продуктов питания от световых излучений // Химическая технология. 2020. Т. 21. № 11. С. 491–497.
  2. Wu C.M., Naseem S., Chou M.H., Wang J.H., Jian Y.Q. Recent advances in tungsten–oxide–based materials and their applications // Front. Mater. 2019. V. 6. P. 49. https://doi.org/10.3389/fmats.2019.00049
  3. Гайдук Ю.С., Савицкий А.А., Стрижаков Д.А., Реутская О.Г., Таратын И.А. Газочувствительная композиция оксида вольфрама с многостенными углеродными нанотрубками // Известия Национальной академии наук Беларуси. Серия химических наук. 2016. № 1. С. 12.
  4. Бахтин А.С., Любомирский Н.В., Бахтина Т.А., Николаенко В.В., Гавриш В.М. Исследования повышения фотокаталитической активности диоксида титана за счет применения оксида вольфрама (VI) // Строительство и техногенная безопасность. 2021. № 22 (74). С. 67. https://doi.org/10.37279/2413-1873-2021-22-67-78
  5. Wang S.J., Wang M.C., Chen S.F., Li Y.H., Shen T.S., Bor H.Y., Wei C.N. Electrical and physical characteristics of WO3/Ag/WO3 sandwich structure fabricated with magnetic–control sputtering metrology // Sensors. 2018. V. 18. № 9. P. 2803.https://doi.org/10.3390/s18092803
  6. Ghasemi L., Jafari H. Morphological characterization of tungsten trioxide nanopowders synthesized by sol–gel modified Pechini’s method // Mater. Res. 2017. V. 20. P. 1713. https://doi.org/10.1590/1980-5373-MR-2017-0467
  7. Li W., Zhang X., Chen X., Zhao Y., Wang L., Li, D., Li X., Chen M., Zhao J., Li Y. Preparation and performance of fast-response ITO/Li-NiO/Li-WO3/ITO all-solid-state electrochromic devices by evaporation metho // Mater. Lett. 2020. V. 265. P. 127464. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.127464
  8. Dubey P., Sadanand Rai S., Pandey B.K., Dwivedi D.K. Simulation engineering of heterojunction colloidal quantum dot–solar cell using tungsten trioxide (WO3) as an electron transport layer // In Advances in VLSI, Communication, and Signal Processing: Select Proceedings of VCAS 2021. Singapore: Springer Nature Singapore. 2022. V. 911. P. 223–231. https://doi.org/10.1007/978-981-19-2631-0_20
  9. Mushtaq K., Chou P.M., Lai C.W. Review on the synthesis methods of nano–tungsten oxide dihydrate colloid // MATEC Web of Conferences. 2021. V. 335. P. 16. https://doi.org/10.1051/matecconf/202133503008
  10. Li Y.M., Hibino M., Miyayania M., Kudo T. Proton conductivity of tungsten trioxide hydrates at intermediate temperature // Solid State Ion. 2000. V. 134. № 3–4. P. 271–279. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(00)00759-1
  11. Williams D.E., Aliwell S.R., Pratt K.F., Caruana D.J., Jones R.L., Cox R.A., Halsall J. Modelling the response of a tungsten oxide semiconductor as a gas sensor for the measurement of ozone // Meas. Sci. Technol. 2002. V. 13. № 6. P. 923. https://doi.org/10.1088/0957-0233/13/6/314
  12. Chai Y., Ha F.Y., Yam F.K., Hassan Z. Fabrication of tungsten oxide nanostructure by sol–gel method // Procedia Chem. 2016. V. 19. P. 113–118. https://doi.org/10.1016/j.proche.2016.03.123
  13. Ahmadian H., Tehrani F.S., Aliannezhadi M. Hydrothermal synthesis and characterization of WO3 nanostructures: effects of capping agent and pH. Materials // Research Express. 2019. V. 6. № 10. P. 105024. https://doi.org/10.1088/2053-1591/ab3826
  14. Zheng H., Ou J.Z., Strano M.S., Kaner R.B., Mitchell A., Kalantar‐zadeh K. Nanostructured tungsten oxide–properties, synthesis and applications // Adv. Funct. Mater. 2011. V. 21. № 12. P. 2175–2196. https://doi.org/10.1002/adfm.201002477
  15. Yang T., Zhang Y., Cai Y., Tian H. Effect of processing parameters on anodic nanoporous tungsten oxide film structure and porosity for hydrogen detection // J. Mater. Res. 2014. V. 29. P. 166–174. https://doi.org/10.1557/jmr.2013.369
  16. Александров А.В., Гаврилова Н.Н. Влияние условий синтеза на коллоидно–химические свойства гидрозолей триоксида вольфрама // Успехи в химии и химической технологии. 2013. Т. 27. № 2 (142). С. 47–55.
  17. Александров А.В., Гаврилова Н.Н., Назаров В.В. Синтез золей гидратированного оксида вольфрама (VI) методом пептизации // Коллоидный журнал, 2017. Т. 79. № 2. С. 115–123. https://doi.org/10.7868/S0023291217020021
  18. Syrek K., Zaraska L., Zych M., Sulka G.D. The effect of anodization conditions on the morphology of porous tungsten oxide layers formed in aqueous solution // J. Electroanal. Chem. // 2018. V. 29. P. 106–115. https://doi.org/10.1016/j.jelechem.2018.09.054
  19. Yan A., Xie C., Zeng D., Cai S., Hu M. Synthesis, formation mechanism and sensing properties of WO3 hydrate nanowire netted–spheres // Mater. Res. Bull. 2010. V. 45. № 10. P. 1541–1547. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2010.05.026
  20. Mardare C.C., Hassel A.W. Review on the versatility of tungsten oxide coatings // Phys. Status Solidi A. 2019. V. 216. № 12. P. 1900047. https://doi.org/10.1002/pssa.201900047
  21. Chai Y., Ha F.Y., Yam F.K., Hassan Z. Fabrication of tungsten oxide nanostructure by sol–gel method // Procedia Chem. 2016. V. 19. P. 113–118. https://doi.org/10.1016/j.proche.2016.03.123
  22. Lyklema J. The electrical double layer on oxides // Croatica Chemica Acta, 1971. V. 43. №. 4. P. 249–260.
  23. Lyklema J., Fokkink L.G. J., De Keizer A. Interfacial electrochemistry of oxides: Recognition of common principles // Interfaces in Condensed Systems. 1990. V. 83. P. 46–51. Steinkopff. https://doi.org/10.1007/BFb0116241
  24. Петров Ю.Ю., Аввакумова С.Ю., Сидорова М.П., Ермакова Л.Э., Меркушев О.М. Электроповерхностные свойства оксида вольфрама (VI) в растворах электролитов // Коллоидный журнал. 2010. Т. 72. № 5. С. 660.
  25. Петров Ю.Ю., Аввакумова С.Ю., Сидорова М.П., Ермакова Л.Э., Войтылов В.В., Войтылов А.В. Устойчивость дисперсий оксида вольфрама (VI) в растворах электролитов. // Коллоидный журнал. 2011. Т. 73. № 6. С. 835.
  26. Вукс М.Ф. Электрические и оптические свойства молекул и конденсированных сред. Ленинград: Изд–во ЛГУ. 1984.
  27. Spartakov A.A., Trusov A.A., Voitylov A.V., Vojtylov V.V. Electro‐optics of polydisperse colloids // Molecular and Colloidal Electro–Optics. V. 134. CRC Press. 2016. P. 193–227. https://doi.org/10.1201/9781420009859-8
  28. Толстой Н.А., Спартаков А.А., Трусов А.А., Хилько Г.И. Электрооптические свойства лиофобных коллоидов. 4.Новое доказательство существования жесткого электрического дипольного момента коллоидных частиц. Оценка величины и направления диполя // Коллоид. Журнал. 1966. Т. 28. С. 881.
  29. Бабаджанянц Л.К., Войтылов А.В., Войтылов В.В., Трусов А.А. Анализ полидисперсности макромолекулярных и нанодисперсных систем электрооптическими методами // Высокомолекулярные соединения. Серия С. 2010. Т. 52. № 7. С. 1329–1340.
  30. Shilov V.N., Borkovskaia Yu.B., Budankova S.N. Thin double layer theory of the wide–frequency range dispersion of the polarizability of nonconducting spheroidal particles // Molecular and Colloidal Electro–Optics. Surfactant science series. V. 134. CRC Press. 2016. P. 39–58. https://doi.org/10.1201/9781420009859-3
  31. Ван де Хюлст Г. Рассеяние света малыми частицами М: Наука. 1961.
  32. Везо О.С., Войтылов А.В., Войтылов В.В., Петров М.П., Трусов А.А. Электрооптический метод исследования коагуляции нанодисперсных систем. Образование агрегатов частиц графита в водных электролитах // Оптика и спектроскопия. 2020. Т. 128. № 6. С. 713–721. https://doi.org/10.21883/OS.2020.06.49401.22-20
  33. Petrov M.P., Shilov V.N., Trusov A.A., Voitylov A.V., Vojtylov V.V. Electro–optic research of polarizability dispersion in aqueous polydisperse suspensions of nanodiamonds // Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 2016. V. 506. P. 40–49. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2016.05.087
  34. Везо О.С., Войтылов А.В., Войтылов В.В., Петров М.П., Трусов А.А. Рефракция гидрозолей с частицами состава алмаз/аморфный углерод // Коллоид. журн. 2024. Т. 86. № 2. С. 153–161. https://doi.org/10.31857/S0023291224020014
  35. Вольфрама оксиды. Химическая энциклопедия, под. ред. Кнунянца И.Л., Т. 1. С. 421. М.: «Советская энциклопедия», 1988.
  36. Stoimenova M. The universal electro–optic response of charged colloids in low electrolyte suspensions // J. Colloid Interface Sci. 2008. V. 323. № 2. P. 274–281.https://doi.org/10.1016/j.jcis.2008.04.004
  37. Thurston G.B, Bowling D.I. The frequency dependence of the Kerr effect for suspensions of rigid particles. // J. Colloid Interface Sci. 1969. V. 30. № 1. P. 34–45. https://doi.org/10.1016/0021-9797(69)90376-2

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Optical part of the experimental setup. S is a source of white unpolarized light, L is a long-focus lens, C is a cuvette with plane-parallel electrodes to which an electric field is applied, P is a polarizing prism, PhD1 and PhD2 are photodetectors.

Download (50KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Distribution functions (a) φ(r) – solid and φ(Δγ) – dashed and dependences, (b) N(t) – solid and N(E) – squares for WO3 sol without added electrolyte.

Download (177KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependences of 〈Δγ〉 (squares) at a field frequency of 10 kHz and ζ (empty circles) of particles on the concentration C of the Th(NO3)4 electrolyte in WO3 sols at Θ = 0.5 ⋅ 10−6.

Download (54KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Frequency dependences of 〈Δγ〉 in WO3 sols at Θ = 0.5 ⋅ 10−6. Concentrations (in μmol/l) of aqueous electrolytes Th(NO3)4 in WO3 sols: C0 – 0.0; C1 – 0.02; C2 – 0.05; C3 – 0.1; C4–0.3; C5–2.0; C6 – 3.0; C7 – 6.0; C8 – 10.0; C9 – 30.0.

Download (110KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Dependences of 〈Δγ〉 (squares) at a field frequency of 10 kHz and ζ (empty circles) of particles on the concentration C of the La(NO3)3 electrolyte in WO3 sols at Θ = 0.5 ⋅ 10−6.

Download (60KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. Frequency dependences of 〈Δγ〉 in WO3 sols at Θ = 0.5 ⋅ 10−6. Concentrations (in μmol/l) of aqueous electrolytes La(NO3)3 in sols: C1 – 0.01; C2 – 0.05; C3 – 0.1; C4 – 10.0; C5 – 100.

Download (73KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences