CC BY
21
УДК 666.3
Аксютин И.И., Макаров Н.А.
КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ОРТОСТАННАТА ЦИНКА
Аксютин Илья Игоревич, студент 1-го курса магистратуры кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров
e-mail: axiutin. ilya@yandex. ru
Макаров Николай Александрович, д.т.н., профессор кафедры Химической технологии керамики и огнеупоров, «Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева», г. Москва, Россия, 125480, ул. Героев Панфиловцев, д.20.
В данной статье представлены результаты исследования процесса синтеза порошка ортостанната цинка традиционным химическим методом смешения исходных оксидов цинка и олова в стехиометрическом соотношении 2:1. Фазовый состав данной смеси после прокаливания при температурах 850-1250°C был изучен методом рентгенофазового анализа. Микроструктуру порошка исследовали растровой электронной микроскопией. Установлена оптимальная температура синтеза ортостанната цинка 1250°C. Синтезирована пористая керамика на основе ортастанната цинка (П0 = 38,6 %, рср = 3,84 г/см3).
Ключевые слова: ортостаннат цинка, Zn2SnO4.
CERAMICS ON THE BASIS OF ZINC ORTHOSTANNATE
I.I. Aksyutin, N.A. Makarov
«Mendeleev University of Chemical Technology of Russia», Moscow, Russian Federation
This article presents the results of a study of the process of synthesis of zinc orthostannate powder by the traditional chemical method of mixing the initial zinc and tin oxides in a stoichiometric ratio of 2:1. The phase composition of this mixture after calcination at temperatures of850-1250°C was studied by x-ray diffraction. The microstructure of the powder was studied by scanning electron microscopy. The optimal temperature for the synthesis of zinc orthostannate is 1250°C. The synthesized porous ceramics on the basis of zinc orthostannate (Ро = 38,6 %, p = 3,84 g/cm3)
Keywords: zinc orthostannate, Zn2SnO4.
Перспективным материалом в области солнечной энергетики, датчиках газовой чувствительности является ортостаннат цинка (Zn2SnO4), который обладает отличными свойствами, а именно, большой шириной запрещенной зоны (Eg = 3,35 эВ), термодинамической стабильностью, высокой подвижностью электронов,
электропроводностью и низким поглощением в видимом диапазоне. Составляющие компоненты являются достаточно дешевыми и доступными, что делает внедрение ортостанната цинка в сферу солнечной энергетики в качестве твердотельного прозрачного электрода особо перспективным [1, 2].
В качестве исходных веществ для синтеза были взяты оксиды цинка (II) и олова (IV), которые смешивали в валковой мельнице в стехиометрическом соотношении 2:1 корундовыми мелющими телами в среде ацетона в течение 3 часов при 60 об/мин. После смешивания масса была высушена в вытяжном шкафу при 85°C в течение суток. Высушенная порошковая масса была дважды перетерта через сито с размером ячейки 0,5 мм. Далее смеси оксидов прокаливали в интервале температур от 850 до 1250°C с шагом в 50°C, после
чего был проведен рештенофазовый анализ порошка каждой из температур синтеза.
Далее прокаленный порошок с 5% ПВС формовали в призматической пресс-форме размером 40x6^6 мм при давлении 100 МПа и высушивали на воздухе 20-25°С в течение суток. Обжит проводили в атмосферной силитовой печи при температуре 1250°С с выдержками 1, 2 и 3 часа. На основании проведенного комплекса экспериментов можно сделать ряд выводов касательно полученных материалов.
Большое значение имеет способ подготовки исходных материалов в системе ZnO - SnO2. Согласно результатам РФА (рисунок 1), при прокаливании от 850 до 1250°С с увеличением температуры происходит уменьшение основного рефлекса отражения SnO2, а при температуре 1200°С происходит его исчезновение, это говорит о том, что оксид олова полностью прореагировал. И при 1250°С наблюдается полное формирование кристаллической решетки ортостанната цинка. Таким образом, синтез твердого раствора проводили при данной температуре.
Рисунок - 1. Суммарный график результатов РФА после прокаливания при 850-1250°С
Согласно результатам микроскопии (рисунки 2-3) синтезированных порошков, полученных при температурах 950 - 1250°С с шагом 50°С, видно образование двухфазного порошка. Первая фаза -мелкозернистая, со средним размером частиц меньше 1 мкм; вторая фаза - хорошо окристаллизованная, крупнокристаллическая, со средним размером частиц 8-10 мкм. Так же видно,
что с увеличением температуры сокращается количество мелкой фракции оксида олова. Частицы оксида олова образуют агрегаты, которые впоследствии образуют кристаллы. При приближении температуры синтеза к 1200°С происходит полное исчезновение частиц SnO2, это как раз подтверждает ранее проведенный рентгенофазовый анализ.
а б в г
Рисунок - 2. Микроструктура порошка прокаленного при 950°С (а), 1000°С (б), 1050°С (в) и 1100°С (г).
а б в
Рисунок - 3. Микроструктура порошка прокаленного при 1150°С (а), 1200°С (б) и 1250°С (в).
Обжиг предварительно сформированных из порошка ортостанната цинка образцов проводили при температуре 1250°С с выдержкой 1, 2 и 3 часа. Лучшие свойства обнаружены у материала, обожженного при двухчасовой выдержке.
Было выяснено, что при получении порошка ортостаннната цинка методом смешивания исходных оксидов и дальнейшего прокаливания этой смеси при температурах 850-1250°C, рентгенофазовый анализ показал, что оптимальной температурой является 1250°C. Так же было установлено, что материал с наилучшими характеристиками получен при обжиге сформованной массы при температуре 1250°C и выдержке в 2 часа. Получена пористая керамика на основе ортостанната цинка (П0 = 38,6 %, рср = 3,84 г/см3).
Для получения наиболее хорошо спекающихся порошков ортостанната цинка требуется использовать химический метод синтеза при более низких температурах, а так же введение добавок твердофазного спекания оксидов d-элементов, что позволит интенсифицировать процесс спекания.
Список литературы
1. Sun S., Liang S. Morphological zinc stannate: synthesis, fundamental properties and applications // Journal of Materials Chemistry. 2017. Т. 5. № 39. С. 20534-20560.
2. Ma G. Phase-controlled synthesis and gas-sensing properties of zinc stannate (ZnSnO3 and Zn2SnO4) faceted solid and hollow microcrystals // CrystEngComm. 2012. Т. 14. №. 6. С. 2172-2179.
Рисунок - 4. Влияние времени выдержки при обжиге на среднюю плотность и открытую пористость образцов
Исходя из результатов определения средней плотности и открытой пористости (рисунок - 4) следует, что невозможно получить прозрачный электрод ортостанната цинка стандартным способом, без применения модифицирующих добавок.
