Ανάπτυξη ανοδικών οξειδίων χαλκού σε αλκαλικά διαλύματα οξικών ανιόντων και ηλεκτροχημική μελέτη των ιδιοτήτων τους

Abstract

Ο χαλκός αποτέλει ένα από τα μέταλλα με τις περισσότερες τεχνολογικές εφαρμογές από καλώδια και ολοκληρωμένα κυκλώματα έως φωτοβολταϊκά και ηλιακά κελιά. Παρόλο που ο χαλκός θεωρείται ένα από τα χημικά σταθερότερα μέταλλα, αντιδρά εύκολα σε ελαφρώς αλκαλικά διαλύματα παράγοντας υποξείδιο του χαλκού, οξείδιο ή και υδροξείδιο του χαλκού. Τα οξείδια του χαλκού είναι συνήθως σταθερά, ωστόσο, σε αλκαλικό περιβάλλον μετασχηματίζονται σε ευδιάλυτα προϊόντα. Χάρη στις ημιαγώγιμες και φωτοαγώγιμες ιδιότητές τους, τα συγκεκριμένα οξείδια έχουν μεγάλη τεχνολογική σημασία, βρίσκοντας εφαρμογές σε φωτοβολταϊκά συστήματα και ηλιακά κελιά. Στην παρούσα διπλωματική εργασία ερευνήθηκε ο σχηματισμός των οξειδίων του χαλκού σε αλκαλικά διαλύματα οξικών ανιόντων μέσω των μεθόδων κυκλικής βολταμμετρίας, αναδιαλυτικής βολταμμετρίας, εμπέδησης, και μετρήσεων χωρητικότητας. Κατά την ανοδική οξείδωση του χαλκού, ένα φιλμ διπλής σύστασης που αποτελείται από υποξείδιο και οξείδιο ή και υδροξείδιο του χαλκού, σχηματίζεται πάνω στην επιφάνεια του ηλεκτροδίου. Το φιλμ το οποίο εμφανίζει πορώδη δομή, δομείται από ένα εσωτερικό στρώμα υποξειδίου του χαλκού και ένα εξωτερικό στρώμα οξειδίου ή και υδροξειδίου του χαλκού και επηρεάζεται σημαντικά από τη διάλυση σε ανοδικά δυναμικά. Βάσει των πειραματικών αποτελεσμάτων, καταστρώθηκε ένα κινητικό μοντέλο το οποίο περιγράφει ικανοποιητικά την ηλεκτροχημική συμπεριφορά του χαλκού σε ανοδικά διαλύματα οξικών ανιόντων.

Copper has a wide range of technological uses from integrated circuits and wires to exchangers and solar cells. Although copper is considered to be a noble metal, it reacts in neutral or alkaline solutions, producing cuprous oxide, copper oxide, and copper hydroxide. Copper oxides are genuinely stable though they can be soluble in slightly alkaline solutions by forming soluble products. They also show semiconducting and photoreactive properties which is why they are used in many technological applications in solar cells, photovoltaic systems etc. In the present thesis, the formation of copper oxides in alkaline acetate solutions was studied with the use of the electrochemical techniques of cyclic voltammetry, anodic polarization, cathodic stripping, impedance, and capacitance measurements. It is concluded that a double-layered, passivating film of two anodic oxides which are cuprous oxide and copper oxide and hydroxide is formed on the copper surface. The film which has a porous structure consists of an inner layer of cuprous oxide and an outer layer of copper oxide and hydroxide, is highly affected by dissolution of both oxides in high anodic potentials. A based on the obtained experimental data kinetic model, which describes sufficiently the electrochemical behavior of copper electrodes in alkaline acetate solutions, was structured.