1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Теплофизика высоких температур
  4. T. 61, № 6, 2023

Теплофизика высоких температур, 2023, T. 61, № 6, стр. 859-870

Масс-спектрометрическое термодинамическое исследование системы Fe2O3–TiO2

В. Л. Столярова 1, 2, С. И. Лопатин 1, В. А. Ворожцов 1, *, А. В. Федорова 2, А. А. Селютин 2, А. Л. Шилов 1

1 Институт химии силикатов имени И.В. Гребенщикова Российской академии наук
Санкт-Петербург, Россия

2 Санкт-Петербургский государственный университет
Санкт-Петербург, Россия

* E-mail: v.vorozhcov@rambler.ru

Поступила в редакцию 13.09.2023
После доработки 13.09.2023
Принята к публикации 03.10.2023

Аннотация

Методом высокотемпературной дифференциальной масс-спектрометрии изучены процессы испарения и термодинамические свойства образцов системы Fe2O3–TiO2, содержащих 25, 35 и 45 мол. % оксида железа. Как показано ранее, при температурах выше 1400 К Fe2O3, теряя кислород, превращается в FeO. Поэтому в данной работе проведено масс-спектрометрическое термодинамическое исследование системы FeO–TiO2 при температуре 1760 К. Определены состав и парциальные давления пара, а также значения активностей FeO и избыточной энергии Гиббса в системе FeO–TiO2. Привлечение полинома Вильсона позволило впервые оценить энтальпию смешения и избыточную энтропию в системе FeO–TiO2 при 1760 К. Проведено моделирование термодинамических свойств расплавов системы FeO–TiO2 при 1760 К на основе обобщенной решеточной теории ассоциированных растворов, и рассчитаны относительные числа связей различного типа в модельной решетке расплава, свидетельствующие о предпочтительном образовании связей Fe–O–Ti при содержании FeO, равном 55 мол. %. Показано, что при температуре 1760 К найденные значения избыточной энергии Гиббса в системе FeO–TiO2 свидетельствуют об отрицательных отклонениях от идеальности.

Список литературы

  1. Fujishima A., Rao T.N., Tryk D.A. Titanium Dioxide Photocatalysis // J. Photochem. Photobiol., C. 2000. V. 1. № 1. P. 1.

  2. Mahmoodi A., Ghoranneviss M., Asgary S. Preparation and Antibacterial Activity Studies of TiO2 Nanostructured Materials // High Temp. 2019. V. 57. № 2. P. 289.

  3. Mersal M., Zedan A.F., Mohamed G.G., Hassan G.K. Fabrication of Nitrogen Doped TiO2/Fe2O3 Nanostructures for Photocatalytic Oxidation of Methanol Based Wastewater // Sci. Rep. 2023. V. 13. № 1. P. 4431.

  4. Gorbunova V.A., Sliapniova L.M. On Photocatalytic Activity of Systems of Titania/(Fe (II, III))-type in Aqueous Suspensions // Sci. Tech. 2018. V. 17. № 6. P. 521.

  5. Wilke K., Breuer H.D. The Influence of Transition Metal Doping on the Physical and Photocatalytic Properties of Titania // J. Photochem. Photobiol. A Chem. 1999. V. 121. № 1. P. 49.

  6. Sun L., Li J., Wang C.L., Li S.F., Chen H.B., Lin C.J. An Electrochemical Strategy of Doping Fe3+ into TiO2 Nanotube Array Films for Enhancement in Photocatalytic Activity // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2009. V. 93. № 10. P. 1875.

  7. Казенас Е.К., Цветков Ю.В. Термодинамика испарения оксидов. М.: Изд-во ЛКИ, 2008. 480 с.

  8. Lopatin S.I., Zvereva I.A., Chislova I.V. Vaporization and Thermodynamic Properties of GdFeO3 and GdCoO3 Complex Oxides // Russ. J. Gen. Chem. 2020. V. 90. № 8. P. 1495.

  9. Gilles P.W., Carlson K.D., Franzen H.F., Wahlbeck P.G. High-temperature Vaporization and Thermodynamics of the Titanium Oxides. I. Vaporization Characteristics of the Crystalline Phases // J. Chem. Phys. 1967. V. 46. № 7. P. 2461.

  10. Gilles P.W., Franzen H.F., Duane Stone G., Wahlbeck P.G. High-temperature Vaporization and Thermodynamics of the Titanium Oxides. III. Vaporization Characteristics of the Liquid Phase // J. Chem. Phys. 1968. V. 48. № 5. P. 1938.

  11. Hampson P.J., Gilles P.W. High-temperature Vaporization and Thermodynamics of the Titanium Oxides. VII. Mass Spectrometry and Dissociation Energies of TiO(g) and TiO2(g) // J. Chem. Phys. 1971. V. 55. № 8. P. 3708.

  12. Семенов Г.А., Лопатин С.И., Кулигина Л.А. Масс-спектрометрическое изучение процессов испарения в системе на основе оксидов титана, скандия и лютеция // Вестн. СПбГУ. Сер. 4 (физика, химия). 1994. Т. 1. № 4. С. 46.

  13. Ban-ya S., Chiba A., Hikosaka A. Thermodynamics of FetO–MxOy (MxOy = CaO, SiO2, TiO2, and Al2O3) Binary Melts in Equilibrium with Solid Iron // Tetsu-to-Hagane. 1980. V. 66. № 10. P. 1484.

  14. Eriksson G., Pelton A.D. Critical Evaluation and Optimization of the Thermodynamic Properties and Phase Diagrams of the MnO–TiO2, MgO–TiO2, FeO–TiO2, Ti2O3–TiO2, Na2O–TiO2, and K2O–TiO2 Systems // Metall. Trans. B. 1993. V. 24. № 5. P. 795.

  15. Stolyarova V.L., Semenov G.A. Mass Spectrometric Study of the Vaporization of Oxide Systems / Ed. Beynon J.H. Chichester: John Wiley, 1994. 434 p.

  16. Pesl J., Hurman Eric R. High-temperature Phase Relations and Thermodynamics in the Iron–Titanium–Oxygen System // Metall. Mater. Trans. B. 1999. V. 30. № 4. P. 695.

  17. Sheindlin M., Frolov A., Petukhov S., Bottomley D., Masaki K., Manara D., Costa D. Mass Spectrometric Study of the Laser-evaporated Fe–Zr–O System up to 3300 K // J. Am. Ceram. Soc. 2022. V. 105. № 3. P. 2161.

  18. Hilpert K. High Temperature Mass Spectrometry in Materials Research // Rapid Commun. Mass Spectrom. 1991. V. 5. № 4. P. 175.

  19. Drowart J., Chatillon C., Hastie J., Bonnell D. High-temperature Mass Spectrometry: InstrumentalTechniques, Ionization Cross-sections, Pressure Measurements, and Thermodynamic Data (IUPAC Technical Report) // Pure Appl. Chem. 2005. V. 77. № 4. P. 683.

  20. Lopatin S.I., Shugurov S.M., Tyurnina Z.G., Tyurnina N.G. Ti3O5 and V2O3 Vaporization // Glass Phys. Chem. 2021. V. 47. № 1. P. 38.

  21. Lopatin S.I. Vaporization and Thermodynamic Properties of the NbO2–TiO2 System // Glass Phys. Chem. 2022. V. 48. № 2. P. 117.

  22. Гурвич Л.В., Вейц И.В., Медведев В.А., Бергман Г.А., Юнгман В.С., Хачкурузов Г.А., Иориш В.С., Дорофеева О.В., Осина Е.Л. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Спр. издание / Под ред. Глушко В.П. Т. IV. Кн. 2. М.: Наука, 1982. 560 с.

  23. Lias S.G., Bartmess J.E., Liebman J.F., Holmes J.L., Levin R.D., Mallard W.G. Gas-phase Ion and Neutral Thermochemistry // J. Phys. Chem. Ref. Data. 1988. V. 17. № Suppl. 1. P. 861.

  24. Paule R.C., Mandel J. Analysis of Interlaboratory Measurements on the Vapor Pressure of Cadmium and Silver // Pure Appl. Chem. 1972. V. 31. № 3. P. 395.

  25. Mann J.B. Ionization Cross Sections of the Elements Calculated from Mean-square Radii of Atomic Orbitals // J. Chem. Phys. 1967. V. 46. № 5. P. 1646.

  26. Zeifert P.L. Measurement of Vapor Pressure of Refractories. In: High Temperature Technology / Ed. Kempbell I.E. N.Y.: John Wiley, 1956. P. 485.

  27. Сидоров Л.Н., Акишин П.А. Масс-спектрометрический метод определения парциальных давлений паров и относительных сечений ионизации молекул по изотермам полного испарения // Докл. АН СССР. 1963. Т. 151. № 1. С. 136.

  28. Sidorov L.N., Shol’ts V.B. Mass Spectrometric Investigation of Two-component Systems of Complex Vapour Composition by the Isothermal Evaporation Method // Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys. 1972. V. 8. № 5. P. 437.

  29. MacChesney J.B., Muan A. Phase Equilibria at Liquidus Temperatures in the System Iron Oxide–Titanium Oxide at Low Oxygen Pressures // Am. Mineral. 1961. V. 46. № 5–6. P. 572. https://pubs.geoscienceworld.org/msa/ammin/article-abstract/46/5-6/572/541768/Phase-equilibria-at-liquidus-temperatures-in-the

  30. Redlich O., Kister A.T. Algebraic Representation of Thermodynamic Properties and the Classification of Solutions // Ind. Eng. Chem. 1948. V. 40. № 2. P. 345.

  31. Orye R.V., Prausnitz J.M. Multicomponent Equilibria: the Wilson Equation // Ind. Eng. Chem. 1965. V. 57. № 5. P. 18.

  32. Столярова В.Л., Ворожцов В.А. Возможности метода Вильсона для расчета термодинамических свойств оксидных систем при высоких температурах // Журн. неорг. химии. 2021. Т. 66. № 9. С. 1303.

  33. Ворожцов В.А., Столярова В.Л., Кириллова С.А., Лопатин С.И. Термодинамические свойства керамики на основе оксидов гафния и редкоземельных элементов при высоких температурах // Журн. неорг. химии. 2023. Т. 68. № 2. С. 209.

  34. Wilson G.M. Vapor–Liquid Equilibrium. XI. A New Expression for the Excess Free Energy of Mixing // J. Am. Chem. Soc. 1964. V. 86. № 2. P. 127.

  35. Hildebrand J.H. Solubility. XII. Regular Solutions // J. Am. Chem. Soc. 1929. V. 51. № 1. P. 66.

  36. Hildebrand J.H. The Term ‘Regular Solution’ // Nature. 1951. V. 168. № 4281. P. 868.

  37. Дуров В.А., Агеев Е.П. Термодинамическая теория растворов. Изд. 3-е / Под ред. Крестова Г.А., Полторака О.М. М.: Книжный дом “Либроком”, 2010. 248 с.

  38. Hardy H.K. A “Sub-regular” Solution Model and Its Application to Some Binary Alloy Systems // Acta Metall. 1953. V. 1. № 2. P. 202.

  39. Vorozhtcov V.A., Stolyarova V.L., Shilov A.L., Lopatin S.I., Shugurov S.M., Karachevtsev F.N. Thermodynamics and Vaporization of the Sm2O3–ZrO2 System Studied by Knudsen Effusion Mass Spectrometry // J. Phys. Chem. Solids. 2021. V. 156. P. 110156.

  40. Barker J.A. Cooperative Orientation Effects in Solutions // J. Chem. Phys. 1952. V. 20. № 10. P. 1526.

  41. Shilov A.L., Stolyarova V.L., Vorozhtcov V.A., Lopatin S.I. Thermodynamic Description of the Gd2O3–Y2O3–HfO2 and La2O3–Y2O3–HfO2 Systems at High Temperatures // Calphad. 2019. V. 65. P. 165.

  42. Stolyarova V.L., Vorozhtcov V.A., Lopatin S.I., Selyutin A.A., Shugurov S.M., Shilov A.L., Stolyarov V.A., Almjashev V.I. Mass Spectrometric Study and Modeling of the Thermodynamic Properties of SrO–Al2O3 Melts at High Temperatures // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2023. V. 37. № 5. P. e9459.

  43. Stolyarova V.L., Vorozhtcov V.A., Shemchuk D.V., Shilov A.L., Lopatin S.I., Almjashev V.I., Shuvaeva E.B., Kirillova S.A. High-temperature Mass Spectrometric Study of Thermodynamic Properties in the TiO2–Al2O3–SiO2 System and Modeling // Rapid Commun. Mass Spectrom. 2022. V. 36. № 19. e9359.

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Теплофизика высоких температур

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал