Журнал неорганической химии, 2023, T. 68, № 3, стр. 291-299
Синтез и исследование фосфатов Na1 – xR0.33xTi2(PO4)3 (R = Y, La)
В. А. Седов a, *, Я. Б. Гляделова a, Е. А. Асабина a, В. И. Петьков a
a Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского
603022 Нижний Новгород, пр-т Гагарина, 23, Россия
* E-mail: airbox200@gmail.com
Поступила в редакцию 30.08.2022
После доработки 03.10.2022
Принята к публикации 14.10.2022
- EDN: JDQNEF
- DOI: 10.31857/S0044457X22601602
Аннотация
Фосфаты Na1 –xR0.33xTi2(PO4)3 (R = Y, La; 0 ≤ х ≤ 1) синтезированы методом Печини и изучены с использованием рентгенографии, электронной микроскопии, микрозондового анализа, ИК-спектроскопии. В системах имеет место изодиморфизм с образованием рядов твердых растворов, относящихся к структурному типу NaZr2(PO4)3 (NZP) и кристаллизующихся в пр. гр. R$\bar {3}$c и R$\bar {3}.$ Структурное исследование методом Ритвельда подтвердило изоморфную смесимость натрия и редкоземельного элемента в полостях NZP-структуры. Прослеживаются тенденции увеличения параметра с и уменьшения параметра а ячейки с ростом температуры, что типично для фосфатов NZP-строения.
ВВЕДЕНИЕ
Интерес к фосфатам структурного типа NaZr2(PO4)3 (NZP/NASICON) объясняется перспективой их использования в качестве высокотехнологичных керамических материалов, обладающих регулируемым, в том числе малым, тепловым расширением, что позволяет применять их в изделиях, требующих высокого сопротивления термоудару [1–4], твердых материалов с высокой ионной проводимостью [5], востребованных при создании аккумуляторных батарей [6]. Помимо этого NZP-фосфаты, включающие редкоземельные элементы (РЗЭ), используются в качестве преобразователей ультрафиолетового, рентгеновского и гамма-излучения в видимый свет [7–9]; в качестве биологически совместимых добавок для обнаружения и визуализации опухолей [10], а также в качестве люминесцирующих материалов [11–16], устойчивых к разрушающим факторам окружающей среды.
Кристаллическая структура NaZr2(PO4)3 [17] и NaTi2(PO4)3 [18] базируется на трехмерном каркасе из октаэдров ZrO6 (TiO6) и тетраэдров РО4, формирующих колонки, параллельные друг другу. Полости внутри этих колонок заселены ионами Na+. Введение в полости NZP-структуры катионов в степени окисления +3 приводит к искажению симметрии ячейки по сравнению с родоначальником семейства [19–23]. Так, в структуре образцов R0.33Zr2(PO4)3 (R = Y, La…Lu) катионные позиции, расположенные в полостях внутри колонок полиэдров, расщепляются на три типа, и катионы R3+ упорядоченно заселяют один из них. При этом симметрия ячейки понижается от пр. гр. R$\bar {3}$c для родоначальника семейства до P$\bar {3}$ (La [20]) или $P\bar {3}$c (Ce–Lu, Y [19]) для фосфатов, включающих РЗЭ. Образование ограниченных твердых растворов состава A1 –xEu0.33xZr2(PO4)3 (A = Na, K, Rb), характеризующихся различной симметрией ячейки, наблюдалось со сторон обоих крайних членов [24].
Исследования фосфатов R0.33Ti2(PO4)3 (R = La, Pr, Gd), проведенные в [25, 26], показали, что в их структуре позиции полостей внутри колонок полиэдров расщепляются на два типа, один из которых на 2/3 заселен катионами редкоземельного элемента, а второй остается вакантным. Чередование этих двух типов полостей реализуется в рамках NZP-структуры с пр. гр. R$\bar {3}.$
Очевидно, что причиной различия строения цирконий- и титансодержащих фосфатов, включающих РЗЭ, является размер каркасообразующих октаэдров ZrO6 или TiO6 (радиус ионов Zr4+ равен 0.72 Å, Ti4+ – 0.61 Å [27]). В связи с этим представляло интерес изучить влияние каркасообразующего катиона на фазообразование и свойства тройных фосфатов щелочных и редкоземельных элементов. Целью настоящей работы является исследование фазообразования, строения и теплового расширения фосфатов Na1 –xR0.33xTi2(PO4)3. Поскольку ионные радиусы РЗЭ в октаэдрически координированных полостях варьируются в интервале 0.87–1.03 Å, в качестве элементов R, замещающих натрий, выбраны иттрий (0.90 Å) и лантан (1.03 Å).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Синтез фосфатов Na1 –xR0.33xTi2(PO4)3 (R = Y, La; 0 ≤ х ≤ 1) проводили методом Печини [28]. В качестве исходных реагентов использовали реактивы квалификации не ниже “х. ч.” (табл. 1): Y2O3, LaCl3 · 7H2O, TiOCl2, NH4H2PO4, водные растворы NH3, HCl и HNO3, лимонную кислоту С6Н8О7, этиленгликоль С2Н6О2. Раствор оксихлорида титана TiOCl2, используемый для синтеза, получали окислением 15%-ного водного раствора TiCl3 марки “х. ч.” смесью концентрированных растворов HCl и HNO3 на воздухе с последующим гравиметрическим определением его концентрации [29]. Перед проведением синтеза навески Y2O3 растворяли в азотной кислоте, навески LaCl3 · 7H2O и NH4H2PO4 – в дистиллированной воде.
Таблица 1.
Реактив | Изготовитель | Массовая доля, % |
---|---|---|
Y2O3 | KENO trading | >99.999 |
LaCl3 · 7H2O | Химреактив | ≥99.5 |
Лимонная кислота С6Н8О7 | Реахим | ≥99 |
Этиленгликоль С2Н6О2 | Реахим | ≥99 |
NH4H2PO4 | Реахим | ≥99 |
Водный раствор NH3 | Химреактив | 25, “ос. ч.” |
Водный раствор HCl | Химреактив | 35–38, “х. ч.” |
Водный раствор HNO3 | Реахим | 65, “х. ч.” |
TiCl3 | Векос | 15, “ч. д. а” |
В ходе синтеза растворы солей металлов смешивали в стехиометрическом соотношении, добавляли к ним лимонную кислоту (в мольном соотношении кислота : ионы металлов = 15 : 1) и растворяли ее при нагревании до 60°C. Затем к полученной смеси металл-цитратных комплексов медленно при перемешивании приливали этиленгликоль (в соотношении 4 : 1 к ионам металлов в растворе) и одновременно дигидрофосфат аммония до получения гомогенного геля, который затем поэтапно высушивали при 90 (48 ч), 130 (48 ч) и 350°С (24 ч). Осадок подвергали диспергированию, отжигу при 500, 550 и 600°С в течение 72 ч на каждой стадии, затем при 650 (48 ч) и 700°С (48 ч). Перед каждой стадией отжига проводили диспергирование порошковой смеси с применением этанола (в качестве поверхностно-активного вещества) для достижения монодисперсности и механической активации, ускоряющей синтез нанокристаллических материалов [30]. Фазовый состав образцов после отжига контролировали с помощью рентгенофазового анализа (РФА).
Рентгенографические исследования проводили на дифрактометре Shimadzu XRD-6000. Порошковые рентгенограммы записывали в фильтрованном CuKα-излучении (λ = 1.54178 Å) в диапазоне углов 2θ от 10° до 60° со скоростью сканирования 1 град/мин и шагом сканирования 0.02°. На основании структурного подобия изученных соединений с известными из литературы (NaTi2(PO4)3 [18], La0.33Ti2(PO4)3 [26]), а также с использованием метода аналитического индицирования по рентгенограммам были определены индексы hkl синтезированных фосфатов и рассчитаны параметры их элементарных ячеек.
Рентгенограмму образца Na0.5Y0.165Ti2(PO4)3 для структурных исследований записывали в интервале углов 2θ от 13° до 110° с шагом 0.02° и временем выдержки в точке 12 с. Обработку рентгенограмм и уточнение структур фосфатов проводили методом Ритвельда [25] с помощью программы Rietan-97 [26]. Аппроксимирование профилей пиков осуществляли согласно модифицированной функции псевдо-Войта (Mod-TCH pV).
Для оценки теплового расширения и деформации структуры при нагревании фосфаты Na0.5R0.165Ti2(PO4)3 (R = Y, La; х = 0.5) исследовали методом рентгенографии в интервале температур от 25 до 200°С с использованием приставки Anton Paar TTK 450. Линейные коэффициенты теплового расширения рассчитывали как относительные приращения параметров ячеек а или с при повышении температуры (T) на один градус: ${{\alpha }_{a}} = \frac{1}{a}\frac{{da}}{{dT}},$ ${{\alpha }_{с}} = \frac{1}{с}\frac{{dс}}{{dT}}.$ Средние линейные коэффициенты теплового расширения оценивали по формуле: αav = (2αa + αc)/3.
Для исследования морфологии поверхности образцов применяли сканирующий электронный микроскоп Jeol JSM-7600F с термополевой электронной пушкой (катод Шоттки) с диапазоном увеличения от ×25 до ×1 ×106. Микроскоп оснащен системой микроанализа – энергодисперсионным спектрометром Oxford X-Max 80 (Premium) с полупроводниковым кремний-дрейфовым детектором. Точность определения элементного состава образцов методом электронного микрозондового анализа составляла 0.5–2.5 мол. %.
ИК-спектры синтезированных веществ записывали на спектрофотометре FTIR-8400 с приставкой ATR при комнатной температуре в диапазоне волновых чисел 1400−400 см–1. Образцы для съемок представляли собой смеси фосфата и KBr, спрессованные в полупрозрачные таблетки.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Согласно результатам рентгенографии, ИК-спектроскопии и электронного микрозондового анализа, в системах Na1 –xR0.33xTi2(PO4)3 (R = Y, La) образуются фосфаты структурного типа NZP. Однофазные фосфаты получены в результате длительного отжига при температурах от 550 (для х = 1) до 700°С (для х = 0). Повышение температуры отжига приводило к термическому разложению NZP-фаз (прежде всего составов с х, близкими к 1).
На рис. 1 приведены рентгенограммы синтезированных NZP-фосфатов. Образцы в области составов 0 ≤ х ≤ 0.7 (R = Y) и 0 ≤ х ≤ 0.4 (La) проиндицированы в пр. гр. R$\bar {3}$c, образцы с 0.8 ≤ х ≤ 1.0 (Y) и 0.5 ≤ х ≤ 1.0 (La) – в пр. гр. R$\bar {3}.$ Для фосфатов с пр. гр. R$\bar {3}$ наблюдалось появление дополнительных дифракционных максимумов на рентгенограммах по сравнению с фосфатами, кристаллизующимися в пр. гр. R$\bar {3}$c с более высокой симметрией.
Данные электронной микроскопии и микрозондового анализа подтвердили гомогенность полученных образцов и соответствие их составов теоретическим в пределах погрешности метода.
Результаты ИК-спектроскопии (рис. 2) синтезированных фосфатов подтверждают их принадлежность к ортофосфатам NZP-строения и отсутствие в образцах рентгеноаморфных примесей.
Согласно фактор-групповому анализу, в ИК-спектрах фосфатов NZP-строения с пр. гр. R$\bar {3}$c возможно проявление пяти полос валентных асимметричных колебаний (1250–1020 см–1), одной полосы валентного симметричного колебания (1020–950 см–1), пяти деформационных асимметричных (650–500 см–1) и двух деформационных симметричных колебаний (<500 см–1). В ИК-спектрах фосфатов с пр. гр. R$\bar {3}$ правилами отбора разрешено по шесть полос валентных и деформационных асимметричных колебаний, две полосы валентных и четыре полосы деформационных симметричных колебаний. Таким образом, число разрешенных и наблюдаемых полос валентных и деформационных колебаний также было больше в спектрах фосфатов с более низкой симметрией (рис. 2).
Для подтверждения смесимости натрия и РЗЭ в полостях NZP-структуры в изученных рядах проведено структурное исследование фосфата Na0.5Y0.165Ti2(PO4)3 (х = 0.5) методом Ритвельда по данным порошковой рентгенографии. Анализ рентгенограммы образца в соответствии с законами погасания показал, что рассматриваемый фосфат кристаллизуется в пр. гр. R$\bar {3}$c, поэтому в качестве исходной модели использовали координаты атомов в структуре NaTi2(PO4)3 [18]. Условия съемки и основные результаты уточнения приведены в табл. 2–4. На рис. 3 видно хорошее совпадение экспериментальной и вычисленной рентгенограмм образца.
Таблица 2.
Пространственная группа | R$\overline 3 $с (№ 167) |
---|---|
Z | 6 |
Интервал углов 2θ, град | 13.00−110.00 |
Параметры ячейки: | |
a, Å | 8.4983(7) |
c, Å | 21.8323(15) |
V, Å 3 | 1365.51(18) |
Число отражений | 193 |
Число уточняемых параметров* | 23 + 13 |
Факторы достоверности (%): | |
Rwp; Rp | 3.50; 2.80 |
S | 1.28 |
Таблица 3.
Атом | Позиция | x | y | Z | B, Å2 |
---|---|---|---|---|---|
Na/Y | 6b | 0 | 0 | 0 | 2.95(2) |
Ti | 12с | 0 | 0 | 0.14637(9) | 0.49(8) |
P | 18e | 0.7144(3) | 0 | 0.25 | 1.53(9) |
O(1) | 36f | 0.2011(5) | 0.1735(5) | 0.3103(2) | 1.02(13) |
O(2) | 36f | 0.4777(4) | 0.3041(5) | 0.2482(2) | 0.36(11) |
Таблица 4.
Связь | d, Å |
---|---|
Na/Y–O(2) (×6) | 2.221(4) |
Ti–O(1) (×3) | 1.863(5) |
Ti–O(2) (×3) | 2.159(4) |
P–O(2) (×2) | 1.570(3) |
P–O(1) (×2) | 1.572(5) |
Фрагмент структуры фосфата Na0.5Y0.165Ti2(PO4)3 представлен на рис. 4. Основу его структуры составляет каркас {[Ti2(PO4)3]–}3∞, в котором атомы Ti координированы шестью атомами кислорода РО4-тетраэдров. Тетраэдры двумя вершинами скрепляют вершины двух октаэдров, образуя колонку, и двумя другими вершинами присоединяются к соседним колонкам. Октаэдрически координированные позиции полостей внутри колонок полиэдров совместно заняты ионами Na+ и Y3+, что свидетельствует об их изоморфной смесимости.
Таким образом, результаты исследования фазообразования свидетельствуют о том, что в рядах синтезированных фосфатов Na1 –xR0.33xTi2(PO4)3 (R = Y, La) наблюдается изодиморфизм, при котором твердые растворы, примыкающие к чистым компонентам с x = 0 и 1, кристаллизуются в пр. гр. R$\bar {3}$c и R$\bar {3}.$
Сравнение данных по фазообразованию в изученных системах (табл. 5) иллюстрирует общую закономерность изоморфизма: ион меньшего радиуса в качестве изоморфной примеси входит в кристаллическую структуру легче, чем ион большего радиуса. При этом для твердых растворов, образованных со стороны NaTi2(PO4)3 (пр. гр. R$\bar {3}$c), изменение химического состава незначительно сказывается на значении параметров ячеек фосфатов (рис. 5). Для твердых растворов, в структуре которых наблюдается упорядочение катионов в полостях (пр. гр. R$\bar {3}$), даже небольшое изменение х приводит к значительному росту высоты ячейки с и уменьшению параметра а в результате соответствующих деформаций [1].
Температурные зависимости параметров ячеек фосфатов Na0.5R0.165Ti2(PO4)3 (R = Y, La; х = 0.5) приведены на рис. 6. Для обоих образцов увеличение межатомных расстояний с повышением температуры приводит к росту высоты ячейки с. Параметр а ячейки фосфата, содержащего в полостях более крупные ионы La3+, также увеличивается с ростом температуры. В случае же фосфата Na0.5Y0.165Ti2(PO4)3 (с меньшими по размеру ионами в полостях) возникающий при нагреве скоррелированный поворот полиэдров каркаса вызывает уменьшение параметра а, что также характерно для NZP-соединений [1]. Изучение теплового расширения фосфатов Na0.5Y0.165Ti2(PO4)3 и Na0.5La0.165Ti2(PO4)3 показало, что за счет отрицательного значения линейного коэффициента расширения αa, измеренного перпендикулярно главной оси третьего порядка кристалла (табл. 6), по значению среднего линейного коэффициента теплового расширения αav иттрийсодержащий фосфат можно отнести к среднерасширяющимся веществам. Лантан-содержащий фосфат характеризуется бóльшим значением αаv.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Изучено фазообразование титансодержащих NZP-фосфатов, включающих в полости структуры редкоземельные элементы Y и La. Показано, что в рядах синтезированных фосфатов Na1 –xR0.33xTi2(PO4)3 (R = Y, La) имеет место изодиморфизм с образованием рядов граничных твердых растворов, структура которых различается степенью упорядочения катионов в полостях. Результаты исследования подтверждены структурными данными. Изучение теплового расширения фосфатов Na0.5Y0.165Ti2(PO4)3 и Na0.5La0.165Ti2(PO4)3 показало, что деформации их ячеек при нагревании в значительной мере определяются размером катионов, занимающих полости структуры.
Список литературы
Pet’kov V.I., Asabina E.A. // Glass Ceram. 2004. V. 61. № 7. P. 233. https://doi.org/10.1023/B:GLAC.0000048353.42467.0a
Kimpa M.I., Mayzan M.Z.H., Yabagi J.A. et al. // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2018. V. 140. P. 012156. https://doi.org/10.1088/1755-1315/140/1/012156
Naqash S., Gerhards M.-Th., Tietz F. et al. // Batteries. 2018. V. 4. P. 33. https://doi.org/10.3390/batteries4030033
Anantharamulu N., Koteswara Rao K., Rambabu G. et al. // J. Mater. Sci. 2011. V. 46. P. 2821. https://doi.org/10.1007/s10853-011-5302-5
Куншина Г.Б., Бочарова И.В. // Физика и химия стекла. 2020. Т. 46. № 6. С. 615. https://doi.org/10.31857/S0132665120060141
Курзина Е.А., Стенина И.А., Далви А. и др. // Неорган. материалы. 2021. Т. 57. № 10. С. 1094. https://doi.org/10.31857/S0002337X21100079
Achary S.N., Bevara S., Tyagi A.K. // Coord. Chem. Rev. 2017. V. 340. P. 266. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2017.03.006
Стеблевская Н.И., Белобелецкая М.В., Устинов А.Ю. и др. // Журн. неорган. химии. 2019. Т. 64. № 2. С. 179. https://doi.org/10.1134/S0044457X19020211
Kodaira C.A., Brito H.F., Malta O.L. et al. // J. Lumin. 2003. V. 101. P. 11.
Lin M., Zhao Y. Wang S. et al. // Biotechnol. Adv. 2012. V. 30. P. 1551.
He X., Huang J., Zhou. L. et al. // Cent. Eur. J. Phys. 2012. V. 10. P. 514. https://doi.org/10.2478/s11534-012-0014-2
Kanunov A.E., Orlova A.I. // Rev. J. Chem. 2018. V. 8. P. 1. https://doi.org/10.1134/S207997801801003X
Glorieux B., Jubera V., Orlova A.I. et al. // Inorg. Mater. 2013. V. 49. P. 82. https://doi.org/10.1134/S0020168513010032
Hirayama M., Sonoyama N., Yamada A. et al. // J. Solid State Chem. 2009. V. 182. P. 730. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2008.12.015
Wang J., Zhang Z.-J. // J. Alloys Compd. 2016. V. 685. P. 841. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.06.224
Швецов А.Е., Корытцева А.К. // Журн. общ. химии. 2015. Т. 85. № 3. С. 359.
Слободяник Н.С., Нагорный П.Г., Корниенко З.И. и др. // Журн. неорган. химии. 1988. Т. 33. № 2. С. 443.
Zatovsky I.V., Slobodyanik N.S., Stratiychuk D.A. et al. // Z. Naturforsch., B: Chem. Sci. 2000. V. 55. P. 291. https://doi.org/10.1515/znb-2000-3-411
Bykov D.M., Gobechiya E.R., Kabalov Yu.K. et al. // J. Solid State Chem. 2006. V. 179. P. 3101. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2006.06.002
Barre M. These Présentée à L’Université du Maine pour obtenir le titre de docteur de L’Université du Maine. Mention Chimie de l’Etat Solide. 2007. 173 p.
Barre M., Crosnier-Lopez M.P., Le Berre F. et al. // Chem. Mater. 2005. V. 17. P. 6605.
Barre M., Le Berre F., Crosnier-Lopez M.P. et al. // Chem. Mater. 2006. V. 18. P. 5486.
Kurazhkovskaya V.S., Bykov D.M., Borovikova E.Yu. et al. // Vibrat. Spectrosc. 2010. V. 52. P. 137.
Kanunov A., Orlova A., Zavedeeva G. et al. // Bull. Mater. Sci. 2017. V. 40. № 1. P. 7. https://doi.org/10.1007/s12034-016-1337-1
Lightfoot P., Woodcock D.A., Jorgensen J.D. et al. // Int. J. Inorg. Mater. 1999. V. 1. P. 53.
Асабина Е.А., Шварев Р.Р., Петьков В.И. и др. // Журн. неорган. химии. 2017. Т. 62. № 9. С. 1224. https://doi.org/10.7868/S0044457X17090136
Shannon R.D. // Acta Crystallogr., Sect. A. 1976. V. 32. P. 751.
Matraszek A., Godlewska P., Macalik L. et al. // Alloys Compd. 2015. V. 619. P. 275.
László E. International Series of Monographs on Analytical Chemistry, Gravimetric Analysis. Pergamon: Elsevier, 1965. P. 814.
Калинкин А.М., Кузьменков О.А. Калинкина Е.В. и др. // Журн. общ. химии. 2022. Т. 92. № 6. С. 981. https://doi.org/10.31857/S0044460X22060178
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Журнал неорганической химии