Журнал неорганической химии, 2023, T. 68, № 3, стр. 318-324

Гидротермально-микроволновой синтез ортофосфатов церия(IV)-аммония (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O и NH4Ce2(PO4)3

И. В. Тронев ab, Е. Д. Шейченко ab, Л. С. Разворотнева ab, Э. А. Труфанова ab, П. В. Минакова ab, Т. О. Козлова a, А. Е. Баранчиков a, В. К. Иванов ab*

a Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН
119991 Москва, Ленинский пр-т, 31, Россия

b Национальный исследовательский университет “Высшая школа экономики”
101000 Москва, ул. Мясницкая, 20, Россия

* E-mail: van@igic.ras.ru

Поступила в редакцию 28.09.2022
После доработки 11.11.2022
Принята к публикации 17.11.2022

Полный текст (PDF)

Аннотация

Проанализирована возможность получения кристаллических двойных ортофосфатов церия(IV) (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O и NH4Ce2(PO4)3 в условиях гидротермального синтеза с одновременной микроволновой обработкой. Показано, что указанные ортофосфаты в однофазном состоянии могут быть получены в диапазоне температур 130–190°С при продолжительности синтеза ≥5 мин, при этом фазовый состав продуктов синтеза определяется мольным соотношением аммиака и ортофосфорной кислоты в реакционной смеси. Кратковременный (5 мин) низкотемпературный (130°С) гидротермальный синтез в условиях микроволнового воздействия приводит к получению (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O и NH4Ce2(PO4)3 с размером частиц ~70 и ~200 нм соответственно. При более высоких температуре и продолжительности обработки (190°С и 24 ч) размер частиц указанных фаз увеличивается до ~200 и ~500 нм соответственно. Впервые определено значение оптической ширины запрещенной зоны для (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O, составившее 2.8–3.1 эВ для непрямого и прямого переходов соответственно.

Ключевые слова: фосфаты, РЗЭ, церий, гидротермальная обработка

ВВЕДЕНИЕ

Известные на сегодняшний день кристаллические ортофосфаты четырехвалентного церия, за исключением Ce(PO4)(HPO4)0.5(H2O)0.5 [1, 2], характеризуются трехмерным структурным каркасом, в каналах которого могут находиться молекулы воды или положительно заряженные ионы [3]. Особенности кристаллической структуры ортофосфатов церия(IV) позволяют рассматривать их в качестве ионообменных материалов и сорбентов [46], при этом близость химических свойств церия(IV), тория(IV) и урана(IV), а также образование термодинамически стабильного монацита в результате отжига ортофосфатов церия(IV) делают данные соединения перспективными для иммобилизации радиоактивных элементов [7]. Оптические характеристики ортофосфатов церия(IV), в частности высокое поглощение в УФ-видимом диапазоне и биосовместимость, позволяют рассматривать их в качестве перспективных компонентов солнцезащитной косметики [811].

В качестве основного метода синтеза кристаллических ортофосфатов церия(IV) используют гидротермальную обработку [1214]. Этот синтетический подход является достаточно времязатратным: продолжительность гидротермального синтеза ортофосфатов церия(IV), по имеющимся данным [1517], составляет от нескольких часов до нескольких суток. В то же время для промышленного применения важным критерием является высокая скорость синтеза неорганических материалов. Эффективной альтернативой гидротермальной обработке является гидротермально-микроволновой метод, обеспечивающий быстрый и равномерный нагрев реакционных смесей, за счет чего достигается меньшая продолжительность синтеза [1820].

Ранее нами был предложен способ селективного получения ортофосфатов церия(IV)-аммония (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O и NH4Ce2(PO4)3 [13], включающий в себя гидротермальную обработку церийфосфатных растворов в смеси с водным раствором аммиака при 180°С в течение суток. Основной задачей настоящей работы стал анализ возможности получения ортофосфатов церия(IV)-аммония гидротермально-микроволновым методом с целью существенного сокращения температуры и продолжительности синтеза данного класса материалов.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

В качестве исходных веществ использовали Ce(NO3)3 ⋅ 6H2O (ч. д. а.), H3PO4 (85%-ный водный раствор, ч. д. а.), водный раствор аммиака (~25%, ч. д. а.), изопропанол (ос. ч.), дистиллированную воду.

Синтез ортофосфатов церия(IV)-аммония проводили в соответствии с ранее опубликованной методикой [13]. На первом этапе осаждением из раствора нитрата церия(III) водным раствором аммиака получали диоксид церия. Далее навеску CeO2 (0.1 г) растворяли в 5 мл ортофосфорной кислоты при 90°C и постоянном перемешивании. К полученному раствору добавляли 35 мл 0.5 или 3 М водного раствора аммиака и наблюдали образование гелеобразного осадка. Гидротермальную (ГТ) и гидротермально-микроволновую (ГТМВ) обработку реакционных смесей проводили в тефлоновых автоклавах объемом 100 мл (степень заполнения 40%) при температурах 190 и 130°C в течение 24 ч, 30 и 5 мин. Длительную (24 ч) гидротермальную обработку осуществляли, помещая автоклавы в сушильный шкаф Binder, предварительно разогретый до заданной температуры. Кратковременную (5 или 30 мин) обработку проводили с использованием гидротермально-микроволновой системы Milestone Ethos UP. После обработки полученные осадки очищали многократной промывкой водой с промежуточным центрифугированием до достижения проводимости маточного раствора 0.1–0.2 мСм и высушивали на воздухе при 50°C.

Данные порошковой рентгеновской дифракции получали на дифрактометре Bruker D8 Advance с использованием CuKα1,2-излучения в диапазоне углов 2θ 5°–80° с шагом 0.02° 2θ и временем накопления сигнала не менее 0.2 с на точку. Определение размеров областей когерентного рассеяния (ОКР) в ходе полнопрофильного анализа дифрактограмм осуществляли с помощью программного обеспечения TOPAS 4.2.

Морфологию и химический состав образцов анализировали с помощью растрового электронного микроскопа Carl Zeiss NVision 40, оснащенного детектором Oxford Instruments X-MAX, и растрового электронного микроскопа Tescan Amber, оснащенного детектором Oxford Instruments Ultim Max 100, в диапазоне ускоряющих напряжений 1–20 кВ.

Инфракрасные спектры пропускания образцов регистрировали на спектрометре Инфралюм ФТ08 в диапазоне частот 400–4000 см–1 с разрешением 4 см–1.

Спектры оптического поглощения регистрировали на спектрофотометре Ocean Optics QE65000 в интервале длин волн от 200 до 800 нм с использованием галоген-дейтериевой лампы Ocean Optics DH-2000 и интегрирующей сферы Ocean Optics ISP‑50‑8‑R в режиме диффузного отражения. Накопление спектров осуществляли с выдержкой 20 с и усреднением по пяти спектрам.

Для физико-химического анализа полученных материалов использовали оборудование ЦКП ФМИ ИОНХ РАН.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно данным рентгенофазового анализа, дифрактограмма продукта гидротермальной обработки (24 ч, 190°С) реакционной смеси, полученной смешением церийфосфатного раствора с 3 М раствором NH4OH, характеризуется набором рефлексов, соответствующих однофазному (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O (рис. 1а) [16]. Дифрактограмма продукта, полученного в аналогичных условиях с использованием 0.5 М водного раствора аммиака, соответствует однофазному NH4Ce2(PO4)3 (рис. 1б) [13]. Уточненные в результате полнопрофильного анализа полученных дифрактограмм параметры элементарных ячеек составили: а = 17.5057(82), b = 6.7856(27), с = = 8.0141(36) Å, β = 102.669(21)° для фазы NH4Ce2(PO4)3 и а = 6.8849(39), b = 6.8916(42), с = 17.7050(56) Å для фазы (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O, синтезированных при 130°C в течение 5 мин, что удовлетворительно согласуется с данными работ [13] и [16] соответственно. Обе фазы характеризуются трехмерными каркасными структурами, в тоннелях которых находятся катионы аммония. Формирование однофазных ортофосфатов церия(IV)-аммония различного состава при использовании реакционных смесей с различным мольным соотношением ортофосфорной кислоты и аммиака соответствует ранее опубликованным сведениям [13] и схоже с экспериментальными данными, полученными при анализе продуктов гидротермального синтеза ортофосфатов тория [21]. Механизм формирования различных церийфосфатных фаз в близких условиях достоверно не установлен, однако можно предположить, что состав твердофазных продуктов определяется составом комплексов церия(IV) с фосфатными лигандами, образующихся при смешении церийфосфатных растворов и аммиака.

Рис. 1.

Дифрактограммы однофазных продуктов гидротермальной и гидротермально-микроволновой обработки церийфосфатных гелей, полученных осаждением водным раствором аммиака с концентрацией 3 М (а) при 190°С, 24 ч (1), 190°С, 30 мин (2), 190°С, 5 мин (3), 130°С, 5 мин (4); 0.5 М (б) при190°С, 24 ч (1), 190°С, 30 мин (2), 190°С, 5 мин (3), 130°С, 5 мин (4).

Снижение температуры синтеза до 130°C и продолжительности ГТМВ-обработки до 5 мин приводит к формированию твердофазных продуктов с тем же фазовым составом, что и при использовании обычного гидротермального синтеза (рис. 1). Оценка размеров ОКР показала, что уменьшение температуры и продолжительности синтеза ведет к уменьшению размера кристаллитов (табл. 1).

Таблица 1.

Размер областей когерентного рассеяния для продуктов гидротермальной и гидротермально-микроволновой обработки церийфосфатных гелей в смеси с водными растворами аммиака

Вид обработки Концентрация раствора аммиака, М Температура, °С Продолжительность Фазовый состав Размеры ОКР, нм
ГТ 3 190 24 ч (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O >100
ГТМВ 3 190 30 мин 100
ГТМВ 3 190  5 мин 70
ГТМВ 3 130  5 мин 50
ГТ 0.5 190 24 ч NH4Ce2(PO4)3 80
ГТМВ 0.5 190 30 мин 70
ГТМВ 0.5 190  5 мин 55
ГТМВ 0.5 130  5 мин 30

Данные ИК-спектроскопии (рис. 2) подтверждают результаты рентгенофазового анализа и согласуются с литературными данными для (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O и NH4Ce2(PO4)3 [13], указывая на то, что изменение температуры и продолжительности гидротермальной обработки не влияет на состав получаемых соединений. В ИК-спектрах NH4Ce2(PO4)3 и (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O присутствуют полосы поглощения с максимумами при 2800–3300 и 1430 см–1, относящиеся к валентным и деформационным колебаниям иона ${\text{NH}}_{4}^{ + }$ соответственно [2225]. Полосы поглощения в области 1100–900 и 650–500 см–1 соответствуют валентным и деформационным колебаниям ортофосфат-аниона [26, 27]. ИК-спектр (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O содержит полосы поглощения молекул воды с максимумами при 3550–3660 и 1600 см–1, отвечающие валентным колебаниям О–H и деформационным колебаниям H–O–H соответственно [28]. При этом широкие слабые полосы поглощения в этих же областях ИК-спектра NH4Ce2(PO4)3, по всей видимости, относятся к колебаниям молекул сорбированной воды.

Рис. 2.

ИК-спектры продуктов гидротермальной и гидротермально-микроволновой обработки церийфосфатных гелей, полученных осаждением водным раствором аммиака с концентрацией 3 М (а) при 190°С, 24 ч (1), 190°С, 30 мин (2), 190°С, 5 мин (3), 130°С, 5 мин (4); 0.5 М (б) при 190°С, 24 ч (1), 190°С, 30 мин (2), 190°С, 5 мин (3), 130°С, 5 мин (4).

Результаты локального рентгеноспектрального микроанализа всех полученных образцов дополнительно подтверждают приписанный им химический состав – (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O и NH4Ce2(PO4)3. Так, соотношение Ce : P в продуктах ГТ- и ГТМВ-обработки реакционных смесей, полученных смешением церийфосфатного раствора с 3 и 0.5 М растворами NH4OH, составляет 1 : 2 и 1 : 1.5 соответственно.

Полученные данные указывают на то, что использование микроволнового нагрева при реализации гидротермального синтеза ортофосфатов церия(IV)-аммония позволяет получить твердофазные продукты за время ~5 мин, недостижимое при традиционной гидротермальной обработке. Как правило, высокие скорости фазообразования, наблюдаемые при гидротермально-микроволновом синтезе, связывают с быстрым и равномерным нагревом растворов и суспензий, что позволяет создать условия для формирования большого числа зародышей малорастворимых соединений [19, 29]. При этом зачастую в условиях ГТМВ-обработки размер частиц формирующихся фаз оказывается значительно меньше, чем при ГТ-синтезе в схожих условиях [30]. Гидротермально-микроволновой синтез показал свою эффективность при получении нанокристаллических оксидов, гидроксидов и халькогенидов металлов [19, 29], а также при синтезе ряда ортофосфатов, в первую очередь кристаллических и аморфных ортофосфатов кальция [31, 32], ортофосфатов алюминия [33], циркония [34] и церия [10].

Данные растровой электронной микроскопии подтверждают выявленную на основании результатов рентгенофазового анализа тенденцию к уменьшению размеров частиц с уменьшением температуры и продолжительности гидротермального синтеза. Как было указано выше, это связано с тем, что температура и продолжительность гидротермальной, равно как и гидротермально-микроволновой обработки, определяют особенности протекания процессов зародышеобразования и роста частиц. Более высокая скорость нагрева (20–30 град/мин), характерная для ГТМВ-обработки, способствует тому, что превалируют процессы зародышеобразования, а использование длительной обработки позволяет получать более крупные и сформированные частицы. Из рис. 3 видно, что фаза (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ ⋅ H2O представлена частицами, имеющими форму усеченных октаэдров, размер которых уменьшается от ~200 до ~70 нм с уменьшением температуры до 130°С и продолжительности синтеза до 5 мин. Фаза NH4Ce2(PO4)3, полученная при 190°С в течение 24 ч, представлена агрегатами, содержащими взаимно ориентированные вытянутые частицы размером ~500 нм, в то время как в продукте гидротермально-микроволновой обработки при 130°С присутствуют индивидуальные частицы длиной ~200 нм.

Рис. 3.

РЭМ-фотографии продуктов гидротермальной и гидротермально-микроволновой обработки церийфосфатных гелей, полученных осаждением водным раствором аммиака с концентрацией 3 М при 190°С, 24 ч (а), 190°С, 5 мин (б), 130°С, 5 мин (в); 0.5 М при190°С, 24 ч (г), 190°С, 5 мин (д), 130°С, 5 мин (е).

На рис. 4 представлены спектры поглощения в УФ-видимой области ортофосфатов церия(IV)-аммония NH4Ce2(PO4)3 и (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O, полученных гидротермальной и гидротермально-микроволновой обработкой. Максимумы поглощения этих соединений находятся при ~375 нм, что соответствует поглощению в УФ-А-диапазоне. Видно, что спектры поглощения каждой из фаз практически идентичны, из этого можно сделать вывод о незначительном влиянии параметров синтеза и микроструктуры образцов на их УФ-защитные свойства. При этом в длинноволновой области поглощение NH4Ce2(PO4)3 выше по сравнению с поглощением (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O, что обеспечивает наибольший фактор защиты от УФ-А-излучения.

Рис. 4.

Спектры поглощения продуктов гидротермальной и гидротермально-микроволновой обработки церийфосфатных гелей, полученных осаждением водным раствором аммиака с концентрацией 0.5 М при 190°С, 24 ч (1), 130°С, 5 мин (2); 3 М при 190°С, 24 ч (3), 130°С, 5 мин (4).

Из полученных спектров с использованием уравнения Кубелки–Мунка были определены значения оптической ширины запрещенной зоны (Eg) образцов:

(1)
$~F = \frac{{{{{\left( {1 - R} \right)}}^{2}}}}{{2R}},$
где R – отражение. Поскольку достоверно неизвестно, какой тип переходов реализуется в исследуемых веществах, в случае непрямого перехода анализировали график зависимости (F · hν)1/2 от hν, а в случае прямого ‒ (F · hν)2 от hν [35].

Рассчитанные значения Eg в случае NH4Ce2(PO4)3 составили 2.6 и 2.9 эВ для непрямого и прямого переходов соответственно, что согласуется с данными [11]. Аналогичные значения для (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O составили 2.8 и 3.1 эВ. Отметим, что оценка оптической ширины запрещенной зоны для (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O проведена впервые. Полученные результаты подтверждают перспективность использования ортофосфатов церия(IV) в качестве УФ-протекторных материалов. Возможность получения фаз NH4Ce2(PO4)3 и (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O с разным размером частиц позволяет создавать материалы на их основе с контролируемыми физико-химическими характеристиками, в том числе материалы для солнцезащитной косметики.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложен экспрессный метод получения ортофосфатов церия-аммония состава (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O и NH4Ce2(PO4)3 с помощью гидротермально-микроволновой обработки. Установлено, что для формирования этих фаз достаточно обработки при 130°С в течение 5 мин, что может быть достигнуто при использовании микроволнового нагрева в ходе гидротермального синтеза. Изменение параметров синтеза влияет на микроструктуру конечных продуктов, в частности, приводит к уменьшению размеров частиц при уменьшении температуры и продолжительности гидротермальной обработки. Выявлено, что фаза NH4Ce2(PO4)3 характеризуется более высоким фактором защиты от УФ-А-излучения по сравнению с (NH4)2Ce(PO4)2 ⋅ H2O.

Список литературы

  1. Nazaraly M., Wallez G., Chanéac C. et al. // Angew. Chem. Int. Ed. 2005. V. 44. P. 5691. https://doi.org/10.1002/anie.200501871

  2. Nazaraly M., Wallez G., Chanéac C. et al. // J. Phys. Chem. Solids. 2006. V. 67. P. 1075. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2006.01.028

  3. Козлова Т.О., Баранчиков А.Е., Иванов В.К. // Журн. неорган. химии. 2021. Т. 66. № 12. С. 1647. https://doi.org/10.31857/s0044457x21120102

  4. Bevara S., Achary S.N., Patwe S.J. et al. // AIP Conf. Proc. 2016. V. 1731. P. 1. https://doi.org/10.1063/1.4948206

  5. Nazaraly M., Quarton M., Wallez G. et al. // Solid State Sci. 2007. V. 9. P. 672. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2007.04.021

  6. Achary S.N., Bevara S., Tyagi A.K. // Coord. Chem. Rev. 2017. V. 340. № March. P. 266. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2017.03.006

  7. Romanchuk A.Y., Shekunova T.O., Larina A.I. et al. // Radiochemistry. 2019. V. 61. № 6. P. 719. https://doi.org/10.1134/S1066362219060134

  8. Sato T., Li R., Sato C. et al. // Phosphorus Res. Bull. 2007. V. 21. P. 44. https://doi.org/10.3363/prb.21.44

  9. Sato T., Yin S. // Phosphorus Res. Bull. 2010. V. 24. P. 43. https://doi.org/10.3363/prb.24.43

  10. Sato T., Sato C., Yin S. // Phosphorus Res. Bull. 2008. V. 22. P. 17. https://doi.org/10.3363/prb.22.17

  11. Kozlova T.O., Popov A.L., Kolesnik I.V. et al. // J. Mater. Chem. B. 2022. V. 10. № 11. P. 1775. https://doi.org/10.1039/d1tb02604f

  12. Nazaraly M., Chanéac C., Ribot F. et al. // J. Phys. Chem. Solids. 2007. V. 68. P. 795. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2007.03.010

  13. Shekunova T.O., Istomin S.Y., Mironov A.V. et al. // Eur. J. Inorg. Chem. 2019. V. 2019. № 27. P. 3242. https://doi.org/10.1002/ejic.201801182

  14. Kozlova T.O., Mironov A.V., Istomin S.Y. et al. // Chem. A Eur. J. 2020. V. 26. № 53. P. 12188. https://doi.org/10.1002/chem.202002527

  15. Lai Y., Chang Y., Wong T. et al. // Inorg. Chem. 2013. V. 52. № 23. P. 13639.

  16. Salvado M.A., Pertierra P., Trobajo C. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2007. V. 129. № 36. P. 10970.

  17. Shekunova T.O., Baranchikov A.E., Ivanova O.S. et al. // J. Non-Cryst. Solids. 2016. V. 447. P. 183. https://doi.org/10.1016/j.jnoncrysol.2016.06.012

  18. Zhu Y.J., Chen F. // Chem. Rev. 2014. V. 114. № 12. P. 6462. https://doi.org/10.1021/cr400366s

  19. Meng L.Y., Wang B., Ma M.G. et al. // Mater. Today Chem. 2016. V. 1–2. P. 63. https://doi.org/10.1016/j.mtchem.2016.11.003

  20. Moreira M.L., Mambrini G.P., Volanti D.P. et al. // Chem. Mater. 2008. V. 20. № 16. P. 5381. https://doi.org/10.1021/cm801638d

  21. Salvadó M.A., Pertierra P., Bortun A.I. et al. // Inorg. Chem. 2008. V. 47. № 16. P. 7207. https://doi.org/10.1021/ic800818c

  22. Petit S., Righi D., Madejová J. // Appl. Clay Sci. 2006. V. 34. № 1–4. P. 22. https://doi.org/10.1016/j.clay.2006.02.007

  23. Petit S., Righi D., Madejová J. et al. // Clay Miner. 1999. V. 34. P. 543.

  24. Kloprogge J.T., Broekmans M., Duong L.V. et al. // J. Mater. Sci. 2006. V. 41. № 11. P. 3535. https://doi.org/10.1007/s10853-005-5909-5

  25. Xu Y., Feng S., Pang W. et al. // Chem. Commun. 1996. № 11. P. 1305. https://doi.org/10.1039/CC9960001305

  26. Brandel V., Clavier N., Dacheux N. // J. Solid State Chem. 2005. V. 178. № 4. P. 1054. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2005.01.005

  27. Skogareva L.S., Shekunova T.O., Baranchikov A.E. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2016. V. 61. № 10. P. 1219. https://doi.org/10.1134/S0036023616100181

  28. Hadrich A., Lautie A., Mhiri T. et al. // Vib. Spectrosc. 2001. V. 26. P. 51.

  29. Yang G., Park S.-J. // Materials (Basel). 2019. V. 12. № 7. P. 1177. https://doi.org/10.3390/ma12071177

  30. Maksimov V.D., Meskin P.E., Churagulov B.R. // Inorg. Mater. 2007. V. 43. № 9. P. 988. https://doi.org/10.1134/S0020168507090142

  31. Zhou H., Zhang M., Kong S. et al. // Mater. Lett. 2016. V. 180. P. 239. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.05.165

  32. Qi C., Zhu Y.-J., Sun T.-W. et al. // Chem. An Asian J. 2015. V. 10. № 11. P. 2503. https://doi.org/10.1002/asia.201500667

  33. Sakintuna B., Yürüm Y. // J. Porous Mater. 2010. V. 17. № 6. P. 727. https://doi.org/10.1007/s10934-009-9344-x

  34. Yu Y.-H., Chen Y.-P., Zeng M. et al. // Mater. Lett. 2016. V. 163. P. 158. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2015.10.039

  35. Kolesnik I.V., Aslandukov A.N., Arkhipin A.S. et al. // Crystals. 2019. V. 9. № 7. P. 332. https://doi.org/10.3390/cryst9070332

Дополнительные материалы отсутствуют.