CC BY
15
17. Source identification and apportionment of heavy metals in urban soil profiles / X. S. Luo et al. // Chemosphere. 2015. Vol. 127. P. 152-157.
18. Assessment of heavy metal pollution in surface soils and plant material in the post-industrial city of Katowice, Poland / K. A. Steindor et al. // Journal of Environmental Science and Health, Part A. 2016. Vol. 51, No 5. P. 371-379.
19. Soil pollution by heavy metals and polycyclic aromatic hydrocarbons in the town of Brno (Czech Republic) / M. Strnad et al. // International Journal of Environmental Analytical Chemistry. 1994. Vol. 54, No 3. P. 233-248.
20. Trace element analysis and associated risk assessment in mining area soils from Zhexi river plain, Zhejiang, China / Y. Wang et al. // Environmental Forensics. 2017. Vol. 18, No 4. P. 318-330.
21. ПНД Ф. 16.1:2.3:3.11-98. Методика выполнения измерений содержания металлов в твердых объектах методом спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой. 2005.
Сведения об авторах Широкая Анна Александровна
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Новиков Андрей Игоревич
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Дрогобужская Светлана Витальевна
кандидат химических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Гапоненков Иван Андреевич
Мурманский государственный технический университет, г. Мурманск, Россия, [email protected] Shirokaya Anna Aleksandrovna
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Novikov Andrey Igorevich
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Drogobuzhskaya Svetlana Vitaljevna
PhD (Chemistry), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Gaponenkov Ivan Andreevich
Murmansk State Technical University, Murmansk, Russia, [email protected]
РСН: 10.37614/2307-5252.2020.3.4.050 УДК 54.05
СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ДВОЙНОГО КАРБОНАТА ИТТРИЯ И АММОНИЯ К. А. Яковлев, В. А. Матвеев
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ «Кольский научный центр РАН», Апатиты, Россия
Аннотация
Рассматриваются результаты исследования синтеза двойного карбоната иттрия и аммония. Полученное соединение синтезировано и охарактеризовано впервые. Предполагается использовать двойной карбонат иттрия и аммония в качестве прекурсора керамических порошков оксида иттрия. Ключевые слова:
карбонат иттрия, бикарбонат аммония.
SYNTHESIS AND PROPETIES INVESTIGATION OF YTTRIUM AND AMMONIUM DOUBLE CARBONATE
K. A. Yakovlev, V. A. Matveev
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC "Kola Science Centre RAS", Apatity, Russia
Abstract
The paper considers investigation results of yttrium and ammonium double carbonate synthesis. The compound was synthesized and characterized for the first time. It is proposed to use double yttrium and ammonium carbonate as a precursor to ceramic yttria powders. Keywords:
yttrium carbonate, ammonium bicarbonate.
Оксид иттрия (Y2O3) является востребованным компонентом производства электроники (микроволновые резонаторы, твердотельные ИК-лазеры, LED-светодиоды и др.), а также находит применение в ряде других отраслей промышленности (химически- и термостойкие покрытия, добавка в композиционные материалы на основе оксидов алюминия и циркония [1-3], производство катализаторов [4]).
Наиболее простым и часто используемым методом получения порошков оксида иттрия является осаждение из растворов малорастворимых соединений (гидроксида, гидроксонитрата, оксалата, салицилата, карбонатов иттрия) с последующим термическим разложением [5-13]. При этом важными показателями качества, определяющими область применения получаемого продукта, являются равномерность распределения размера частиц по дисперсному составу и отсутствие агломерации. Данные параметры зависят от структуры исходных соединений, использованных для термического разложения, наиболее перспективными среди которых считаются карбонаты иттрия [14-16]. В литературе имеется несколько упоминаний о таком соединении, как двойной карбонат иттрия и аммония NHY(CO3)2H2O. Авторы [17] говорят о синтезе данного вещества осаждением из раствора хлорида иттрия в течение 6 ч при 25 °С под действием гидрокарбоната аммония NH4HCO3 при его молярном отношении к Y3+, равном 15 (других параметров процесса и характеристик получаемого соединения не приводится). В электронном источнике [18] приводится информация о получении NHY(CO3)2H2O осаждением карбоната иттрия из раствора нитрата иттрия гидрокарбонатом аммония с последующей гидротермальной обработкой при 160 °С в течение 24 ч.
В рамках данного исследования была изучена возможность синтеза NHY(CO3)2H2O из гидратированного оксида иттрия Y2O3 «H2O и карбоната аммония (NH4)2CO3. Гидратированный оксид получали методом твердофазного гидролиза [19] из нитрата иттрия Y(NO3^6H2O. Процесс осуществлялся следующим образом. В эксикатор емкостью 5 л заливали 500 мл аммиака водного квалификации «ч. д. а.», содержащего 28,7 % NH3, а на решетчатом поддоне размещали фарфоровую чашку с 25 г нитрата иттрия, распределенного тонким слоем. Выдержку в атмосфере большого избытка аммиака вели в течение 4 ч при периодическом перемешивании. При этом протекала химическая реакция в соответствии с уравнением:
2Y(NO3)3 6H2O + 6NH3^Y2O3 «H2O + 6NH4NO3 + (9 - «) H2O.
Полученную реакционную массу выщелачивали водой при 50 °C в течение 20 мин. Осадок отфильтровывали, промывали и высушивали до постоянной массы при 105 °C. Далее полученный гидратированный оксид иттрия обрабатывали раствором карбоната аммония с концентрацией соли ~ 160 г/л при молярном отношении (NH4)2CO3 к оксиду иттрия, равном 5-6, и температуре 80 °C. Для исследования происходящих фазовых превращений продолжительность взаимодействия изменяли от 5 до 360 мин. Синтез в течение 5-60 мин вели при атмосферном давлении, а в течение 120-360 мин — в автоклаве (во избежание улетучивания карбоната аммония). Полученные осадки отфильтровывали, промывали, сушили при 105 °C до постоянной массы и анализировали. Часть синтезированного продукта подвергали термической обработке при 800 °С в течение 1 ч с получением порошка оксида иттрия.
Содержание в образцах иттрия определяли атомно-эмиссионным методом на спектрометре OPTIMA 8300, иона аммония — методом обратного титрования, углерода — инфракрасной абсорбцией на анализаторе ELTRA CS-2000. Рентгенофазовый анализ (РФА) синтезированного соединения проводили на дифрактометре ДРОН-2 с Cu-Ka-излучением и графитовым монохроматором (в качестве внутреннего стандарта использовали Si), а также на приборе
SHIMADZU XRD-6000. ИК-спектроскопические исследования выполняли на приборе №соМ 6700 (образцы таблетировали с КВг). Дисперсность частиц определяли методом лазерной дифракции на приборе SHIMADZU SALD-201V.
Исходный гидратированный оксид иттрия (ГОИ), ввиду высокой реакционной способности, уже через 5 мин обработки образовывал соединение с неизвестной кристаллической фазой (рис. 1). При увеличении продолжительности синтеза до 15-60 мин кристаллизовалась вторая, а после 120 и более минут третья неизвестные фазы, которые в дальнейшем не изменяются. Анализ ИК-спектров этих же продуктов подтвердил последовательную кристаллизацию трех фаз (рис. 2). При этом уже на спектре 1 в районе 3200 см-1 имеется перегиб, который свидетельствует о наличии в структуре катиона аммония NH4+, так как синтез с самого начала идет через непосредственное присоединение NH4+ и СО22" к гидратированному оксиду иттрия. Полосы поглощения NH4Y(COз)2•H2O в области 3300-2700 см-1 указывают на присутствие группы аммония. Полосы поглощения на спектрах в областях 1100-1000 см-1 и 1800-1300 см-1 указывают на колебания различной симметрии группы карбонат-иона [20]. По данным химического анализа содержание в образце 3 составляет: NH4+ — 7,38 %, Y — 36,4 %, С — 9,75 %, что соответствует составу NH4Y(COз)2•H2O.
Термическое разложение NH4Y(COз)2•H2O при 800 °С приводит к образованию оксида иттрия кубической модификации. Анализ дисперсного состава порошка, полученного прокаливанием (рис. 3), показал, что последний представлен частицами, размер которых не превышает 10 мкм, при этом основное количество (65^70 %) имеет диаметр 2^6 мкм.
Описанный метод получения двойного карбоната иттрия и аммония NH4Y(COз)2•H2O, заключающийся во взаимодействии гидратированного оксида иттрия с раствором карбоната аммония, приведен впервые. Данное соединение может быть рекомендовано для получения тонкодисперсных порошков оксида иттрия.
Рис. 1. Дифрактограммы продуктов различной продолжительности синтеза: 1 — 5 мин; 2 — 60 мин; 3 — 360 мин
Рис. 2. ИК-спектры продуктов различной продолжительности синтеза: 1 — 5 мин; 2 — 60 мин; 3 — 360 мин
0.2 0.5 1 2 5 10 20
Диаметр частиц, мкм
Рис. 3. Дисперсный состав порошка оксида иттрия
Литература
1. Kannan S. K., Sundrarajan M. Biosynthesis of yttrium oxide nanoparticles using Acalyphaindica leaf extract // Bull. Mater. Sci. Vol. 38, No. 4. P. 945-950.
2. Технология получения корундовой бронекерамики, модифицированной сложными добавками / П. М. Плетнев и др. // Известия Томского политехнического университета. 2015. Т. 326, № 3. C. 40.
3. Фазовые превращения при синтезе Y3AbO12 : Nd / Г. Б. Тельнова и др. // Журн. неорган. химии. 2015. Т. 60, № 2. С. 163 [Tel'nova G. B., Rjkjvbets T. Yu., Konovalov A. A. // Russ. J. Inorg. Chem. 2015. Vol. 60, № 2. P. 127].
4. Sonochemical Green Synthesis of Yttrium Oxide (Y2O3) Nanoparticles as a Novel Heterogeneous Catalyst for the Construction of Biologically Interesting 1,3-Thiazolidin-4-ones / N. Basavegowda et al. // Catalysis Letter. 2017. Vol. 147, I. 10. P. 2630.
5. Синтез пероксопроизводного слоистого гидроксида иттрия А. Д. Япрынцев и др. // Журн. неорган. химии. 2015. Т 60, № 9. С. 1131 [Yapryntsev A. D., Skogareva L. S., Gol'dt et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2015. Vol. 60, № 9. P. 1027].
6. X-Ray diffraction study of the phase and morphology changes in yttrium compound nanoparticles / R. P. Ermakov et al. // Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2013. No. 4 (2). P. 196.
7. Abdulghani A. J. Waleed M. Al-Ogedy Preparation and characterization of yttrium oxide nanoparticles at different calcination temperatures from yttrium hydroxide prepared by hydrothermal and hydrothermal microwave methods // Iraqi Journal of Science. 2015. Vol. 56, No. 2. P. 1572.
8. Получение нанокристаллических порошков оксидов церия и иттрия при термическом разложении оксалатов, карбонатов и гидроксидов / А. А. Титов и др. // Неорг. материалы. 2008. Т. 44, № 10. С. 1229.
9. Ranjbar M., Mannan S., Yousefi M. Yttria nanoparticles prepared from salicylic acid-y(iii) nanocomposite as a new precursor // American Chemical Science Journal. 2013. Vol. 3 (1). P. 1-10.
10. Effect of grain size on the sinterability of yttriananopowders synthesized by carbonate-precipitation process / H. Gong et al. // Materials Chemistry and Physics. 2008. Vol. 112. P. 423.
11. Afzali E. Preparation methods of nanostructures synthesis with different size and shape // Bull. Env. Pharmacol. Life Sci. 2014. Vol. 4 [1]. P. 129.
12. Preparation of nanoscaled yttrium oxide by citrate precipitation method / J. Chen et al. // Journal of Rare Earths. 2017. Vol. 35, I. 1. P. 79.
13. Анализ продуктов гидротермальной обработки нитрата и хлорида иттрия / Е. П. Юдина и др. // Бюллетень Северного уральского государственного университета. Серия: Химия. 2015. Т. 7, № 1. С. 51.
14. Влияние гидротермальной и гидротермально-ультразвуковой обработки на фазовый состав и микроморфологию гидроксокарбоната иттрия / В. К. Иванов и др. // Журн. неорган. химии. 2007. Т. 52, № 9. С. 1413 [Ivanov V. K., Baranchikov A. E., Vanetsev A. E. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2015. Vol. 52, № 9. P. 1321].
15. Пат. Рос. Федерация 2194014, C 01 F. Способ получения мелкодисперсного порошка оксида иттрия / Горячева Е. Г., Вдовина Л. В., Карманников В. П. Опубл. 10.12.2002.
16. Пат. Рос. Федерация 2354610 C 01 F / 00. Способ получения нанопорошков оксида иттрия / Тельнова Г. Б., Поликанова А. С., Солнцев К. А. Опубл. 10.05.2009.
17. Composition and Crystalline Phase Type of Products Obtained by Precipitating Yttrium Ion with Ammonium Bicarbonate / Li Y-X. et al. // Chinese J Inorg Chem. 2002. Vol. 18, No. 11, P. 11381142.
18. Chemical reaction directed oriented attachment: from precursor particles to new substances. (2015) / Y. Liu et al. // Портал ResearchGate.net. URL: https://www.researchgate.net/publication/ 285648654_Chemical_reaction_directed_oriented_attachment_from_precursor_particles_to_new_subs tances (дата обращения: 25.11.2019).
19. Матвеев В. А. Исследование твердофазного аммиачного гидролиза солей алюминия, титана и циркония // Химическая технология. 2009. Т. 10, № 8. С. 449-453.
20. Накамото К. ИК-спектры и спектры КР неорганических и координационных соединений: пер. с англ. М.: Мир, 1991. 505 с.
Сведения об авторах Матвеев Виктор Алексеевич
доктор технических наук, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected] Яковлев Кирилл Андреевич
Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И. В. Тананаева ФИЦ КНЦ РАН, г. Апатиты, Россия, [email protected]
Matveev Viktor Alekseevich
Dr. Sc. (Engineering), Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected] Yakovlev KirillAndreevich
Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of FRC KSC RAS, Apatity, Russia, [email protected]
