Preview

Наносистемы: физика, химия, математика

Расширенный поиск

Фаза пирохлора в системе Bi2O3‒Fe2O3‒WO3‒(H2O): формирование в условиях гидротермального синтеза в низкотемпературной области фазовой диаграммы

https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-242-253

Аннотация

В работе исследованы особенности формирования фазы со структурой кубического пирохлора (Bi, Fe, ¨)2(Fe, W)2O6δ (далее ‒ BFWO) в системе Bi2O3‒Fe2O3‒WO3‒(H2O) в условиях гидротермального синтеза при T < 200 ℃ и в области значений pH < 1. Установлено, что фаза BFWO формируется даже в том случае, когда температура обработки суспензии аморфного прекурсора составляет менее 100 ℃. Частицы фазы BFWO имеют условно сферическую морфологию и являются поликристаллическими. Зависимость среднего размера частиц фазы BFWO от температуры хорошо коррелирует с зависимостью от этого параметра среднего размера кристаллитов ‒ обе величины скачкообразно увеличиваются при повышении температуры обработки суспензии аморфного прекурсора от 90 до 110 ℃ (от ~ 140 и 70 нм до ~ 180 и 90 нм соответственно), а при дальнейшем повышении температуры гидротермальной обработки до 190 ℃ возрастают уже более плавно (до ~ 210 и 110 нм соответственно). Показано, что среднее число кристаллитов в частице составляет ~ 9 ед. в независимости от температуры синтеза, т.е. увеличение размеров частиц фазы BFWO при повышении температуры (в рассмотренном температурном диапазоне) происходит преимущественно за счёт увеличения размеров составляющих их кристаллитов.

Об авторах

М. С. Ломакин
Ioffe Institute; St. Petersburg Electrotechnical University “LETI”
Россия


О. В. Проскурина
Ioffe Institute; St. Petersburg State Institute of Technology
Россия


В. В. Гусаров
Ioffe Institute
Россия


Список литературы

1. Greedan J.E. Frustrated rare earth magnetism: spin glasses, spin liquids and spin ices in pyrochlore oxides. Journal of Alloys and Compounds, 2006, 408–412, P. 444–455.

2. Gardner J.S., Gingras M.J.P., Greedan J.E. Magnetic pyrochlore oxides. Reviews of Modern Physics, 2010, 82(1), P. 53–107.

3. Jitta R.R., Gundeboina R., Veldurthi N.K., Guje R., Muga V. Defect pyrochlore oxides: as photocatalyst materials for environmental and energy applications– a review. Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 2015, 90(11), P. 1937–1948.

4. Anantharaman A.P., Dasari H.P. Potential of pyrochlore structure materials in solid oxide fuel cell applications. Ceramics International, 2021, 47(4), P. 4367–4388.

5. Wiebe C.R., Hallas A.M. Frustration under pressure: Exotic magnetism in new pyrochlore oxides. APL Materials, 2015, 3(4), P. 041519.

6. Ellert O.G., Egorysheva A.V., Gajtko O.M., Kirdyankin D.I., Svetogorov R.D. Highly frustrated Bi-Cr-Sb-O pyrochlore with spin-glass transition. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 2018, 463, P. 13–18.

7. Egorysheva A.V., Ellert O.G., Gaitko O.M., Brekhovskikh M.N., Zhidkova I.A., Maksimov Yu.V. Fluorination of Bi1.8Fe1.2SbO7 pyrochlore solid solutions. Inorganic Materials, 2017, 53(9), P. 962–968.

8. Babu G.S., Bedanta S., Valant M. Evidence of the spin glass state in (Bi188Fe012)(Fe142Te058)O687 pyrochlore. Solid State Communication, 2013, 158, P. 51–53.

9. Jusoh F.A., Tan K.B., Zainal Z., Chen S.K., Khaw C.C., Lee O.J. Novel pyrochlores in the Bi2O3–Fe2O3–Ta2O5 (BFT) ternary system: synthesis, structural and electrical properties. Journal of Materials Research and Technology, 2020, 9(5), P. 11022–11034.

10. Zhuk N.A., Krzhizhanovskaya M.G., Sekushin N.A., Sivkov D.V., Muravyov V.A. Nb-doping effect on microstructure, thermal and dielectric properties of bismuth nickel tantalate pyrochlore. Ceramics International, 2023, 49(2), P. 2934–2940.

11. Valant M., Babu G.S., Vrcon M., Kolodiazhnyi T., Axelsson A.-K. Pyrochlore range from Bi2O3–Fe2O3–TeO3 system for LTCC and photocatal ysis and the crystal structure of new Bi3(Fe056Te044)3O11. Journal of the American Ceramic Society, 2012, 95(2), P. 644–650.

12. Playford H.Y., Modeshia D.R., Barney E.R., Hannon A.C., Wright C.S., Fisher J.M., Amieiro-Fonseca A., Thompsett D., O’Dell L.A., Rees G.J., Smith M.E., Hanna J.V., Walton R.I. Structural Characterization and Redox Catalytic Properties of Cerium(IV) Pyrochlore Oxides. Chemistry of Materials, 2011, 23(24), P. 5464–5473.

13. Zhuk N.A., Krzhizhanovskaya M.G., Koroleva A.V., Semenov V.G., Selyutin A.A., Lebedev A.M., Nekipelov S.V., Sivkov D.V., Kharton V.V., Lutoev V.P., Makeev B.A. Fe,Mg-Codoped Bismuth Tantalate Pyrochlores: Crystal Structure, Thermal Stability, Optical and Electrical Properties, XPS, NEXAFS, ESR, and 57Fe M¨ ossbauer Spectroscopy Study. Inorganics, 2023, 11(1), P. 8.

14. Lomakin M.S., Proskurina O.V., Sergeev A.A., Buryanenko I.V., Semenov V.G., Voznesenskiy S.S., Gusarov V.V. Crystal structure and optical properties of the Bi–Fe–W–O pyrochlore phase synthesized via a hydrothermal method. Journal of Alloys and Compounds, 2021, 889, P. 161598.

15. Lomakin M.S., Proskurina O.V., Levin A.A., Sergeev A.A., Leonov A.A., Nevedomsky V.N., Voznesenskiy S.S. Pyrochlore Phase in the Bi2O3 Fe2O3–WO3–(H2O) System: its Formation by Hydrothermal-Microwave Synthesis and Optical Properties. Russian Journal of Inorganic Chem istry, 2022, 67(6), P. 820–829.

16. Lomakin M.S., Proskurina O.V., Danilovich D.P., Panchuk V.V., Semenov V.G., Gusarov V.V. Hydrothermal Synthesis, Phase Formation and Crystal Chemistry of the pyrochlore/Bi2WO6 and pyrochlore/-Fe2O3 Composites in the Bi2O3–Fe2O3–WO3 System. Journal of Solid State Chemistry, 2020, 282, P. 121064.

17. Annamalai K., Radha R., Vijayakumari S., Kichanov S.E., Balakumar S. Insight into the investigation on nanostructured defect pyrochlore Bi2 xFexWO6 and its photocatalytic degradation of mixed cationic dyes. Materials Science in Semiconductor Processing, 2022, 150(2), P. 106961.

18. Annamalai K., Radha R., Vijayakumari S., Balakumar S. High-temperature stabilized defect pyrochlore Bi2 xFexWO6 nanostructures and their effects on photocatalytic water remediation and photo-electrochemical oxygen evolution kinetics. Catalysis Science & Technology, 2023, 13(5), P. 1409–1424.

19. Shandilya M., Rai R., Singh J. Review: hydrothermal technology for smart materials. Advances in Applied Ceramics, 2016, 115(6), P. 354–376.

20. Modeshia D.R., Walton R.I. Solvothermal synthesis of perovskites and pyrochlores: crystallisation of functional oxides under mild conditions. Chemical Society Reviews, 2010, 39(11), P. 4303–4325.

21. Ejsmont A., Goscianska J. Hydrothermal Synthesis of ZnO Superstructures with Controlled Morphology via Temperature and pH Optimization. Materials, 2023, 16(4), P. 1641.

22. Xiong D., Qi Y., Li X., Liu X., Tao H., Chen W., Zhao X. Hydrothermal synthesis of delafossite CuFeO2 crystals at 100 C. RSC Advances, 2015, 5, P. 49280–49286.

23. Grendal O., Blichfeld A., Skjærvø S., van Beek W., Selbach S., Grande T., Einarsrud M.-A. Facile Low Temperature Hydrothermal Synthesis of BaTiO3 Nanoparticles Studied by In Situ X-ray Diffraction. Crystals, 2018, 8(6), P. 253.

24. Zhang X., Liu X., Lu P., Wang L., Zhang Z., Wang X., Wang Z. Hydrothermal Synthesis of Lanthanide Stannates Pyrochlore Nanocrystals for Catalytic Combustion of Soot Particulates. The Scientific World Journal, 2015, 2015, P. 254165.

25. Almjasheva O.V., Popkov V.I., Proskurina O.V., Gusarov V.V. Phase formation under conditions of self-organization of particle growth restrictions in the reaction system. Nanosystems: Physics Chemistry Mathematics, 2022, 13(2), P. 164–180.

26. Almjasheva O.V., Lomanova N.A., Popkov V.I., Proskurina O.V., Tugova E.A., Gusarov V.V. The minimum size of oxide nanocrystals: phe nomenological thermodynamic vs crystal-chemical approaches. Nanosystems: Physics Chemistry Mathematics, 2019, 10(4), P. 428–437.

27. WangY., Zhang S., Zhong Q., Zeng Y., Ou M., Cai W. Hydrothermal Synthesis of Novel Uniform Nanooctahedral Bi3(FeO4)(WO4)2 Solid Oxide and Visible-Light Photocatalytic Performance. Industrial & Engineering Chemistry Research, 2016, 55(49), P. 12539–12546.

28. Lomakin M.S., Proskurina O.V., Gusarov V.V. Influence of hydrothermal synthesis conditions on the composition of the pyrochlore phase in the Bi2O3–Fe2O3–WO3 system, Nanosystems: Physics Chemistry Mathematics, 2020, 11(2), P. 246–251.

29. Proskurina O.V., Tomkovich M.V., Bachina A.K., Sokolov V.V., Danilovich D.P., Panchuk V.V., Semenov V.G., Gusarov V.V. Formation of Nanocrystalline BiFeO3 under Hydrothermal Conditions. Russian Journal of General Chemistry, 2017, 87(11), P. 2507–2515.

30. Terlan B., Levin A.A., B¨orrnert F., Zeisner J., Kataev V., Schmidt M., Eychm¨ uller A., A Size-Dependent Analysis of the Structural, Surface, Colloidal, and Thermal Properties of Ti1 xB2 (x =0.03–0.08) Nanoparticles. European Journal of Inorganic Chemistry, 2016, 21, P. 3460–3468.

31. Terlan B., Levin A.A., B¨ orrnert F., Simon F., Oschatz M., Schmidt M., Cardoso-Gil R., Lorenz T., Baburin I.A., Joswig J.-O., Eychm¨ uller A. Effect of Surface Properties on the Microstructure, Thermal, and Colloidal Stability of VB2 Nanoparticles. Chemistry of Materials, 2015, 27(14), P. 5106–5115.

32. Smith F.G., Kidd D.J. Hematite-goethite relation in neutral and alkaline solution under pressure. American Mineralogist, 1949, 34(5), P. 403–412.

33. Gusarov V.V., Egorov F.K., Ekimov S.P., Suvorov S.A. A Mossbauer study of the E kinetics of the film states formation at the interaction of magnesium and iron oxides. The Journal of Physical Chemistry, 1987, 61(6), P. 1652–1654. (in Russian)

34. Kirillova S.A., Almjasheva O.V., Panchuk V.V., Semenov V.G. Solid-phase interaction in ZrO2–Fe2O3 nanocrystalline system. Nanosystems: Physics Chemistry Mathematics, 2018, 9(6), P. 763–769.


Рецензия

Для цитирования:


Ломакин М.С., Проскурина О.В., Гусаров В.В. Фаза пирохлора в системе Bi2O3‒Fe2O3‒WO3‒(H2O): формирование в условиях гидротермального синтеза в низкотемпературной области фазовой диаграммы. Наносистемы: физика, химия, математика. 2023;14(2):242-253. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-242-253

For citation:


Lomakin M.S., Proskurina O.V., Gusarov V.V. Pyrochlore phase in the Bi2O3–Fe2O3–WO3–(H2O) system: its formation by hydrothermal synthesis in the low-temperature region of the phase diagram. Nanosystems: Physics, Chemistry, Mathematics. 2023;14(2):242-253. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2023-14-2-242-253

Просмотров: 2


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2220-8054 (Print)
ISSN 2305-7971 (Online)