CC BY
12CHEMISTRY SCIENCES
ИЗУЧЕНИЕ КИСЛОТНО-ОСНОВНЫХ СВОЙСТВ ПОВЕРХНОСТИ BaTiO3, ПОЛУЧЕННОГО
АММИАЧНЫМ СПОСОБОМ
Беляев Ю.О.
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Политехнический институт, кандидат технических наук, доцент;
Графова А.Е.
ФГАОУ ВО «Севастопольский государственный университет», Политехнический институт, старший преподаватель
Илюхина Е.М.
ФБУЗ "Центр гигиены и эпидемиологии в Курской области", химик-эксперт физико-химической лаборатории токсикологического отделения
STUDY OF THE ACID-BASE PROPERTIES OF THE SURFACE OF BaTiO3 OBTAINED BY THE
AMMONIA METHOD
Velyaev Yu.
Sevastopol State University, Polytechnic Institute, Candidate of Engineering, assistant professor
Grafova A.
Sevastopol State University, Polytechnic Institute,
Senior lecturer Ilyuhina E.
Center of hygiene and epidemiology in Kursk region, Department of toxicology, physical and chemical laboratory,
consulting chemist
Аннотация
В статье показана возможность модификации поверхности синтезированного аммиачным способом и предварительно активированного образца титаната бария. С помощью потенциометрического титрования методом Паркса показана разница в поверхностном заряде для модифицированного и немодифицирован-ного олеатными группами образцов. Зависимости удельного поверхностного заряда от pH среды для полученных образцов представлены в интервале от pH 3 до 11. Abstract
The article shows the possibility of modifying the surface of an ammonia-synthesized and pre-activated sample of barium titanate. The difference in surface charge for modified and unmodified samples with oleate groups is shown by means of potentiometric titration using the Parks method. The dependences of the specific surface charge on the pH of the medium for the obtained samples are presented in the range from pH 3 to 11.
Ключевые слова: титанат бария, потенциометрическое титрование, удельный поверхностный заряд, модификация поверхности.
Keywords: barium titanate, potentiometric titration, specific surface charge, surface modification.
Одним из современных и востребованных материалов, широко применяющихся в промышленности, является титанат бария, который обладает большой диэлектрической проницаемостью, а также пьезоэлектрическими и сегнетоэлектриче-скими свойствами [1, 17]. Он применяется при производстве электрических конденсаторов, пьезоэлектрических излучателей, приёмников звука и ультразвука, в качестве нелинейных элементов в оптических системах, электронике и вычислительной технике и многих других сферах [2, 5, 7, 10, 1214]. Более 90% керамики, которая используется в производстве керамических конденсаторов и пози-сторов состоит из титаната бария [18,19].
BaTiO3 также используется в качестве сегнето-электрического наполнителя для создания защит-
ных диэлектрических слоев полимерно-неорганических композиоционных материалов, обладающих высокой диэлектрической проницаемостью, благодаря сочетанию механических свойств полимера с функциональными свойствами наполнителя [6, 11, 15]. Нанокомпозиты, в состав которых входит титанат бария и полиметилметакрилат, в последнее время набирают популярность в качестве материала для оптоэлектронной промышленности. В частности, высокий показатель преломления ти-таната бария и высокая диэлектрическая проницаемость при комнатной температуре оказывают большое влияние в изготовлении оптики для терагерцо-вого режима [8]. Всё это делает BaTiOз довольно важным и востребованным материалом для электронной промышленности.
Однако, существенным недостатком порошкового титаната бария, который и применяют для синтеза перечисленных выше композиционных материалов, является плохая дисперсия суспензии его порошковых частиц в большинстве органических сред. Это вызывает образование пленки на поверхности жидкой реакционной фазы, что значительно затрудняет возможность синтеза целевых материалов с необходимыми физико-химическими свойствами. Для решения этой проблемы вводят поверхностно-активные вещества (ПАВ) [3, 16], которыми модифицируют поверхность частиц титаната бария. Обладая сродством к целевому органическому растворителю, такие ПАВ эффективно снижают слипаемость частиц титаната бария в органических растворителях. Необходимым условием эффективной модификации частиц титаната бария, является наличие у него достаточного количества поверхностных реакционноспособных групп, которыми выступают гидроксильные поверхностные группы [4]. Существует ряд способов, которые позволяют оценить насыщение поверхности такими группами за счёт изучения поверхностных кислотно-основных свойств.
Для выполнения исследований нами был синтезирован титанат бария. Первой стадией его получения был гидролиз ^С14, который медленно добавляли к дистиллированной воде при температуре 10°С и постоянном перемешивании. Далее к реакционной массе добавляли эквимолярный раствор Baa2•2H2O (ГОСТ 4108-72) в соотношении 1 к 1 и перемешивали полученную пульпу в течение 1 часа. Затем добавляли расчётные количества 30% Н2O2 (ГОСТ 10929-76) и 22% водный аммиак (ГОСТ 3760-79) в молярном соотношении (Bаa2•2H2O: ПО, : H2O2 : NH4OH = 1: 1 : 2,5 : 12) при постоянном перемешивании в течение 2 часов. Полученный осадок промывали дистиллированной водой до удаления ионов С1-, что определялось качественной реакцией с раствором нитрата серебра, а также до нейтрализации рН, что измерялось ионо-
мером И-160МИ. Затем осадок фильтровали и высушивали в эксикаторе с Н2804 в течение суток, а после этого прокаливали при температуре 105 °С в течение часа в воздушной атмосфере.
После сушки навеску высушенного осадка массой 1 г кипятили в 400 мл Н202 (35%) в течение 4 часов при температуре 105 °С. Далее получившийся продукт разделялся на 2 части. Одну часть оставляли в текущем виде (образец 1), а вторую подвергали модификации ПАВ, для чего добавляли его к 25 мл 0,5% раствора олеата натрия. Полученный раствор перемешивали в течение 3 часов при температуре 90 °С. После этого мелкодисперсную взвесь отфильтровали на бумажном фильтре (ГОСТ 12026-76). Полученный осадок сушили на воздухе до постоянной массы (образец 2).
Далее методом Паркса [9] проводили изучение удельного поверхностного заряда у полученных образцов, для чего в идентичных условиях проводилось потенциометрическое титрование одинаковой навески (0,5 г) каждого из образцов (немодифици-рованного и модифицированного). Также, отдельно титровали раствор электролита, которым являлся 0,1 н свежеприготовленный №С1. Перед началом титрования раствор подщелачивался, для чего во всех случаях добавляли 5 мл 0,1 н №ОН. Титран-том выступал 0,1 н раствор соляной кислоты, который добавляли со скоростью 0,1 мл в минуту. Далее, сравнивали данные рН, полученные в результате потенциометрического титрования чистого раствора №С1 указанной выше концентрации, и значения рН, полученные в результате титрования такого же раствора хлорида натрия, в который предварительно была добавлена навеска одного из полученных образцов. На основании этих данных получали зависимость удельного поверхностного заряда от рН среды. Такие зависимости были получены для обоих образцов. Измерение активности ионов водорода проводили на ионометре И-160МИ со стеклянным электродом ЭС-10603 и электродом сравнения, погруженными в титруемый раствор. Полученные данные приведены на рисунке.
Рис. Зависимость удельного поверхностного заряда полученных образцов БаТЮз от рН: 1 - немодифицированный, 2 - модифицированный.
По приведённым данным видно, что поверхность модифицированного образца в области значений рН от 6.8 и до 11 обладает меньшим поверхностным зарядом, чем его немодифицированный аналог. Это можно объяснить наличием поверхностных олеатных групп, которые в кислой области открепляются от поверхности. В то же время больший поверхностный заряд немодифицированного образца в области рН от 3 до 6.8 можно объяснить успешной активацией поверхности исходного образца титаната бария в перекиси водорода и насыщением его поверхности гидроксильными группами, которые, с насыщением раствора протонами водородами, притягивают их и, тем самым увеличивают поверхностный положительный заряд, что заметно при переходе кривой в кислую область. Общий вид кривой характерен для материала с подобным кристаллохимическим строением. Точка нулевого заряда у обоих образцов составляет 10 и 10.2 соответственно для немодифицированного и модифицированного образцов. Небольшое смещение этого показателя для модифицированного образца можно объяснить опять же меньшим количеством свободных поверхностных вакантных групп, способных присоединять гидроксильные группы.
Таким образом, с помощью потенциометриче-ского титрования методом Паркса была показана возможность модификации полученного титаната бария олеатными группами, которые снижают поверхностный заряд и должны повышать сродство частиц БаТЮз к растворению в неполярных растворителях.
Список литературы
1. Barsoum M.V. Fundamentals of Ceramics /
M.V. Barsoum. - Boston, McGraw-Hill. - 1997. - 622 p.;
2. Ben Cheikh, Z. Hydrogen doped BaTiO3 films as solid-state electrolyte for micro-supercapacitor applications / Z. Ben Cheikh, F.El Kamel, O. Gallot-Lavallee, M.A. Soussou, S. Vizireanu, A. Achour, K. Khi-rouni // Journal of Alloys and Compounds. - V. 721. -2017. - P. 276-284;
3. Brandt, K Dielectric behaviour and conductivity of high-filled BaTiO3-PMMA composites and the facile route of emulsion polymerization in synthesizing the same / K. Brandt, C. Neusel, S. Behr, G.A. Schneider// J. Mater. Chem. C. - 2013. - 1. - P. 3129-3137;
4. Chang, S. An efficient approach to derive hy-droxyl groups on the surface of barium titanate nano-particles to improve its chemical modification ability / S. Chang, W. Liao, C. Ciou, J. Lee, C. Li // Journal of Colloid and Interface Science. - 2009. - 329. - Р. 300305;
5. Dhanalakshmi, M. Bio-template assisted sol-vothermal synthesis of broom-like BaTiO3: Nd3+ hierarchical architectures for display and forensic applications / M. Dhanalakshmi, H. Nagabhushana, S.C. Sharma, R.B. Basavaraj, G.P. Darshan, D. Kavyashree // Materials Research Bulletin. - V. 102. - 2018. - P. 235-247;
6. Kim, P. Phosphonic acid-modified barium titan-ate polymer nanocomposites with high permittivity and dielectric strength / P. Kim, S.C. Jones, P.J. Hotchkiss, J.N. Haddock, B. Kippelen, S.R. Marder, J.W. Perry // Adv. Mater. - 2007. - 19. - P. 1001-1005;
7. Nageri, M. Manganese-doped BaTiO3 nanotube arrays for enhanced visible light photocatalytic applications / M. Nageri, V. Kumar // Materials Chemistry and Physics. - V. 213. - 2018. - P. 400-405;
8. Lott, J. Terahertz photonic crystals based on barium titanate/polymer nanocomposites / J. Lott, C. Xia, L. Kosnosky, C. Weder, J. Shan // Adv. Mater. -2008. - 20. - P. 3649-3653;
9. Parks, G.A. The zero point of charge of oxides / G.A. Parks, P.L. de Bruyn // J. Phys. Chem. - 1962. -Vol. 66. - P. 967-973.
10. Pramchu, S. First-Principles Calculations of Ferroelectricity and Structural Stability in Bi- and Alkali-Metal-Modified BaTiOs for PTC Thermistor Applications / S. Pramchu, A.P. Jaroenjittichai, Y. Laosi-ritaworn // Ceramics International. - V. 44. - 2018. -P. 519-521;
11. Sardarian, P. A newly-designed magnetic/dielectric [Fe3O4 / BaTiO3 @ MWCNT] nanocomposite system for modern electromagnetic absorption applications / P. Sardarian, H. Naffakh-Moosavy, S.S.S. Af-ghahi // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. - V.441. - 2017. - P. 257-263;
12. Selvarajan, S. BaTiO3 nanoparticles as biomaterial film for self-powered glucose sensor application / S. Selvarajan, N. Rao Alluri, A. Chandrasekhar, S.-J. Kim // Sensors and Actuators B: Chemical. - V. 234. - 2016. - P. 395-403;
13. Singh, D.K. Efficient dual emission mode of green emitting perovskite BaTiO3: Er3+ phosphors for display and temperature sensing applications / D.K.
Singh, J. Manam // Ceramics International. - V. 44. -№ 9. - 2018. - P. 10912-10920;
14. Vouilloz F.J., Reactivity of BaTiOs-Ca10(PO4)6(OH)2 phases in composite materials for biomedical applications / F.J. Vouilloz, M.S. Castro, G.E. Vargas, A. Gorustovich, M.A. Fanovich // Ceramics International. - V. 43. - № 5. - 2017. - P. 4212-4221;
15. Wang, C. Dielectric and ferroelectric properties of SrTiO3-Bi0.54Na0.46TiO3-BaTiO3 lead-free ceramics for high-energy storage applications / C. Wang, F. Yan, H. Yang, Y. Lin, T. Wang // Journal of Alloys and Compounds. - V. 749. - 2018. - P. 605-611;
16. Xuguang, L. BaTiO3 platelets and poly(vinyl-idene fluoride-trifluoroethylenechlorofluoroethylene) hybrid composites for energy storage application / L. Xuguang, L. Hang, C. Sheng, H. Xianghui, M. Chao, Z. Xuefan, L. Weiwei, W. Zhong, Z. Kechao, Z. Dou // Mechanical Systems and Signal Processing. - V. 108.
- 2018. - P. 48-57;
17. Лимарь, Т.Ф. Сравнительная оценка тита-ната бария, полученного разными способами / Лимарь Т.Ф., Барабанщикова Р.М., Савочкина А.И., Величко Ю.Н. // Электроная техника. - 1971. - Вып. 2(23). - C.33;
18. Ротенберг Б.А. Керамические конденсаторные диэлектрики / Б.А. Ротенберг. - Спб, «Гири-конд». - 2000. - 183 с.;
19. Сегнетоэлектрики и родственные им материалы / М. Лайнс, А. Гласс; Пер. с англ. под ред. В.В. Леманова, Г.А. Смоленского. - М.: Мир, 1981.
- 736 с.;
СОВРЕМЕННЫЕ ФАЗОПЕРЕХОДНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В КАЧЕСТВЕ НЕТРАДИЦИОННОГО ИСТОЧНИКА ЭНЕРГИИ
Хрисониди В.А.
Старший преподаватель кафедры химии ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет»,
Джамирзе, Р.К.
Студент
ФГБОУ ВО «Кубанский государственный технологический университет» MODERN PHASE-SHIFTING MATERIALS USED AS AN UNCONVENTIONAL ENERGY SOURCE
Khrysonidi V.
Senior Lecturer, Department of Chemistry Kuban State University of Technology Dzhamirze R.
Student Kuban State University of Technology,
Аннотация
Современные экологические и экономические представления доказывают большое значение развития технологии и использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ). Эта технология особенно востребована для регионов, наиболее удаленных от основных систем центрального энергоснабжения. В настоящее время требуется создание тех накопителей энергии, которые бы заменили первичные преобразователи энергии, подверженные изменчивостью нестабильных энергетических потоков. Это касается солнечных и ветровых электроустановок, вырабатываемая мощность которых зависит от времени года, суток, а также погодных условий.
Автором рассмотрены основные возможности и перспективы применения в качестве нетрадиционного источника энергии современных фазопереходных материалов. Изучена проблема замены первичных преобразователей, вырабатывающих непостоянную энергию, на эффективные и долговечные накопители энергии.
