Изобретение относится к области способов получения наноразмерных образцов оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ), которые могут применяться в качестве разнообразных материалов благодаря своим люминесцентным, каталитическим, оптическим, электрическим и магнитным свойствам.
Наиболее известными способами получения наноразмерных оксидов являются золь-гель метод [Pechini, M. P. (1967) USA Patent, No. 3.330. 697; Масахиде МИУРА, Ацуси ТАНАКА, Такахиро СУДЗУКИ, Тадаси СУДЗУКИ, Тоситака ТАНАБЕ, Наоки ТАКАХАСИ (2013) RU2573022C1; Bikshalu, K., Reddy, V.S.K., Reddy, P.C.S. and Rao, K.V. (2014) Synthesis of La2O3 Nanoparticles by Pechini Method for Future CMOS Applications. International Journal of Education and Applied Research, 4, 12-15], гидротермальный метод [Максимов В.Д., Шапорев А.С., Иванов В.К., Чурагулов Б.Р., Третьяков Ю.Д. Гидротермальный синтез нанокристаллического анатаза из водных растворов сульфата титанила для фотокаталитических применений // Химическая технология. 2009. Т.10. №2. С.70-75; Xie, Y., Qian, Y., Li, J., Chen, Z. and Yang, L. (1995) Hydrothermal Preparation and Characterization of Ultrafine Powders of Ferrite Spinels MFe2O4 (M=Fe, Zn and Ni). Materials Science and Engineering: B, 34, L1-L3; Wang, H.-W. and Kung, S.-C. (2004) Crystallization of Nanosized Ni-Zn Ferrite Powders Prepared by Hydrothermal Method. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 270, 230-236; Krishnaveni, T., Murthy, S.R., Gao, F., Lu, Q. and Komarneni, S. (2006) Microwave Hydrothermal Synthesis of Nanosize Ta2O5 Added Mg-Cu-Zn Ferrites. Journal of Materials Science, 41, 1471-1474; J.-G. Kang, B.-K. Min, Y. Sohn, Physicochemical properties of praseodymium hydroxide and oxide nanorods, J. Alloys Compd. 619 (2015) 165-171], атомно-слоевое осаждение [Tsoutsou, D., Scarel, G., Debernardi, A., Capelli, S.C., Volkos, S.N., Lamagna, L., Schamm, S., Coulon, P.E. and Fanciulli, M. (2008) Infrared Spectroscopy and X-Ray Diffraction Studies on the Crystallographic Evolution of La2O3 Films upon Annealing. Microelectronic Engineering, 85, 2411-2413]. Недостатками данных методов являются длительность и многостадийность процессов.
Наиболее простым методом получения оксидов различных элементов, включая редкоземельные элементы (РЗЭ), является метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза [K.S. Martirosyan, D. Luss, Patent US 7,897,135 B2. Mar. 1, 2011], в том числе один из его вариантов - метод «горения растворов» (solution combustion synthesis, SCS) [Varma A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S., Manukyan K.V. Chem. Rev. 2016. 116(23). 14493; Pathan, A.A., Desai, K.R. and Bhasin, C.P. (2017) Synthesis of La2O3 Nanoparticles Using Glutaric Acid and Propylene Glycol for Future CMOS Applications. International journal of Nanomaterials and Chemistry, 3, 21-25]. Для получения оксидов РЗЭ данным методом используют нитраты РЗЭ в качестве окислителя и органические вещества, такие как мочевину, многоосновные карбоновые кислоты (например, глутаровую кислоту) или многоатомные спирты (например, пропиленгликоль) в качестве топлива, что позволяет уменьшить затраты энергии, так как нагревание необходимо вести только до начала экзотермического процесса. Недостатком метода является необходимость нагрева реакционной смеси до достаточно высокой (400°С) температуры для начала экзотермического процесса, отвечающего условиям горения.
Наиболее близким техническим решением является способ получения оксида празеодима с использованием в качестве топлива мочевины [B.M. Abu-Zied, Controlled synthesis of praseodymium oxide nanoparticles obtained by combustion route: Effect of calcination temperature and fuel to oxidizer ratio, Applied Surface Science, Volume 471, 2019, Pages 246-255]. Мочевина и нитрат празеодима в мольном отношении от 0,5: 1 до 8: 1 растворяли в дистиллированной воде. Полученные растворы высушивали до образования геля, который прокаливали в атмосфере воздуха при 400-700°С в течение 1 ч. В результате формируется Pr6O11 (при мольном отношении реагентов >4:1) или смесь Pr6O11 и Pr2O2CO3 (при соотношении реагентов ≥4:1). Методом дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК) в интервале температур 100-500°С обнаружены чередующиеся эндо- и экзо-эффекты, при этом экзо-эффект при 160-335°C, когда должен проходить самораспространяющийся высокотемпературный синтез, прерывается сильным эндо-эффектом при 230-300°С.
Недостатком данного способа является отсутствие выраженного экзотермического эффекта, что препятствует процессу самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и требует постоянного подвода теплоты.
Технический результат изобретения заключается в достижения условий самораспространяющегося высокотемпературного синтеза оксидов РЗЭ за счет создания сильного экзоэффекта в результате протекания реакции окисления топлива.
Технический результат достигается путем использования в качестве топлива диметилформамида (ДМФА), содержащего повышенное количество углерода по сравнению с мочевиной.
В табл. 1 представлены некоторые свойства ДМФА и мочевины.
Поскольку первой стадией процесса SCS является выпаривание растворов, содержащих окислитель и топлива, предварительно было изучено взаимодействие реагентов в растворах, содержащих нитрат РЗЭ и диметилформамид при соотношении реагентов от 1:1 до 1:6. Было установлено, что при любом соотношении реагентов из растворов, содержащих Ln(NO3)3, где Ln=Sm-Lu, кристаллизуются комплексные соединения состава [Ln(ДМФА)3(NO3)3]. Результаты элементного анализа представлены в табл.2.
Комплексные соединения охарактеризованы методом ИК-спектроскопии (табл.3). По сдвигу полосы ν(CO) по сравнению с ее положением в спектре ДМФА можно сделать вывод о характере координации ДМФА через атом кислорода карбонильной группы.
1257
1293
1296
1299
1299
1302
1299
1240
1242
1248
1243
861
818
861
818
861
818
862
818
867
821
877
816
869
818
861
813
879
816
879
814
νs(NO2)
π(NO3)
Методом рентгенофазового анализа установлено, что полученные комплексные соединения не содержат рефлексов исходных компонентов, используемых для синтеза (фиг. 1-2). Таким образом, подтверждено, что в ходе SCS разложению подвергаются не механические смеси топлива и окислителя, а продукты реакции между ними.
Показано также, что комплексы [Ln(ДМФА)3(NO3)3] изоструктурны (фиг. 3).
Далее был выполнен термический анализ полученных соединений, моделирующий процесс SCS с использованием смесей нитратов РЗЭ с диметилформамидом. Комплексный термический анализ (термогравиметрический анализ и дифференциальная сканирующая калориметрия) проводились на приборах Q500 фирмы Intertech и Q100 соответственно (США). Для проведения термогравиметрического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии образцы готовили по стандартной методике. Все измерения проводились в атмосфере воздуха (100 мл/мин), линейная скорость нагрева и охлаждения составляла 10 град/мин. Ошибка измерения составляла 0.01-0.02°C.
Результаты термического анализа показали, что при нагревании образцов после серии небольших эндо-эффектов, связанных с удалением остаточной воды и начальных стадий разложения соединений, наблюдаются ярко выраженные экзо-эффекты в интервале температур от 220 до 330°С, отвечающие условиям самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (табл.4). В результате этих процессов образуются основные нитраты состава LnONO3. Последующее нагревание в течение 15-30 мин приводит к формированию оксидов соответствующих РЗЭ состава Ln2O3, что подтверждено также результатами рентгенофазового анализа.
301,12;
453,66
301,12;
447,49;
552,99
229,32;
439,39;
580,11
329,12;
516,20;
431,34;
480,19
336,90
220,96;
422,95;
491,51
214,64;
229,17;
310,09;
500,87
Ниже приведены конкретные примеры осуществления изобретения, в том числе демонстрирующие достижение технического результата. Примеры носят иллюстрирующий характер и никоим образом не ограничивают объем притязаний.
Пример 1
При комнатной температуре (20-25ºС) смешивают Eu(NO3)3⋅6H2O (1,30 г, 3 ммоль) и диметилформамид (0,66 г, 9 ммоль), добавляют 5 мл дистиллированной воды и перемешивают до полного растворения Eu(NO3)3⋅6H2O. После удаления воды при 90°С образуются кристаллы соединения [Eu(ДМФА)3(NO3)3], которые затем подвергают нагреванию в атмосфере воздуха со скоростью 10 град/мин до 700°С. Кривые нагревания представлены на (фиг. 4).
Методом рентгенофазового анализа показано, что продуктом является оксид европия Eu2O3 (фиг. 5).
Методом просвечивающейся электронной микроскопии (ПЭМ) показано, что результатом термического разложения [Eu(ДМФА)3(NO3)3] являются наноразмерные частиц со средним размером 20-30 нм и со средней степенью агломерации (фиг. 6).
Пример 2
При комнатной температуре (20-25ºС) смешивают Ho(NO3)3⋅5H2O (1,32 г, 3 ммоль) и диметилформамид (0,66 г, 9 ммоль), добавляют 5 мл дистиллированной воды и перемешивают до полного растворения Ho(NO3)3⋅5H2O. После удаления воды при 90°С образуются кристаллы соединения [Ho(ДМФА)3(NO3)3], которые затем подвергают нагреванию в атмосфере воздуха со скоростью 10 град/мин до 800°С. Кривые нагревания представлены на (фиг. 7).
Методом рентгенофазового анализа показано, что продуктом является оксид гольмия Ho2O3 (фиг. 8).
Методом просвечивающейся электронной микроскопии (ПЭМ) показано, что результатом термического разложения [Ho(ДМФА)3(NO3)3] являются наноразмерные частиц со средним размером 30-40 нм и со средней степенью агломерации (фиг. 9).
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Способ получения наноразмерного оксидов редкоземельных элементов с использованием ацетамида | 2022 |
|
RU2784172C1 |
| Способ получения селенидов (Sr,Eu)LnCuSe (Ln = La, Nd, Sm, Gd-Lu, Sc, Y) ромбической сингонии | 2021 |
|
RU2783926C1 |
| Сложный оксид алюминия и редкоземельных элементов и способ его получения | 2020 |
|
RU2746650C1 |
| ФТОРЗАМЕЩЕННЫЕ БЕНЗОАТЫ ЛАНТАНИДОВ, ПРОЯВЛЯЮЩИЕ ЛЮМИНЕСЦЕНТНЫЕ СВОЙСТВА В ВИДИМОМ И ИК ДИАПАЗОНЕ | 2015 |
|
RU2605746C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕТРАКИС-μ-(МЕТОКСО)-(МЕТОКСО)-ПЕНТАКИС(АЦЕТИЛАЦЕТОНАТО) МЕДЬ (II) РЗЭ (III) БАРИЯ | 1991 |
|
RU2063400C1 |
| Способ получения поликристаллов четверных соединений ALnAgS(A = Sr, Eu; Ln = Dy, Ho) | 2018 |
|
RU2679244C1 |
| Способ получения сэндвичевых бис(фталоцианинатов) и/или трис(фталоцианинатов) редкоземельных элементов | 2018 |
|
RU2691011C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КУПРАТОВ БАРИЯ И РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ | 2010 |
|
RU2489356C2 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКОВ СОЕДИНЕНИЙ ДИОКСОСУЛЬФИДОВ РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ LnOS И ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ НА ИХ ОСНОВЕ Ln'OS-Ln''OS ( Ln, Ln', Ln''=Gd-Lu, Y) | 2013 |
|
RU2554202C2 |
| Способ синтеза наноразмерного порошкообразного материала на основе скандата лантана | 2017 |
|
RU2651009C1 |
Изобретение относится к технологии получения наноразмерных оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ), которые обладают люминесцентными, каталитическими, оптическими, электрическими и магнитными свойствами. Способ получения простых наноразмерных оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ) включает растворение смеси из нитрата РЗЭ(NO3)3⋅6Н2О и топлива в дистиллированной воде с последующим удалением воды, нагрев полученного продукта в атмосфере воздуха и самораспространяющийся высокотемпературный синтез, при этом в качестве топлива используют диметилформамид (ДМФА), а нагрев полученного продукта в виде кристаллов РЗЭ(ДМФА)3(NO3)3 осуществляют до температуры 700-800°C со скоростью 10°C/мин. Результатом термического разложения РЗЭ(ДМФА)3(NO3)3 являются наночастицы со средним размером 30-40 нм и средней степенью агломерации. 9 ил., 2 пр.
Способ получения простых наноразмерных оксидов редкоземельных элементов (РЗЭ), включающий растворение смеси из нитрата РЗЭ(NO3)3⋅6Н2О и топлива в дистиллированной воде с последующим удалением воды, нагревом полученного продукта в атмосфере воздуха и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом, отличающийся тем, что в качестве топлива используют диметилформамид (ДМФА), а нагрев полученного продукта в виде кристаллов РЗЭ(ДМФА)3(NO3)3 осуществляют до температуры 700-800°C со скоростью 10°C/мин.
| ABU-ZIED B.M | |||
| Controlled synthesis of praseodymium oxide nanoparticles obtained by combustion route: Effect of calcination temperature and fuel to oxidizer ratio, "Applied Surface Science", 2019, Vol.471, pp 246-255 | |||
| CN 0109133144 A, 04.01.2019 | |||
| ИЛЬЮЩЕНКО А.Ф | |||
| Разработка перспективных нанотехнологий в ГНПО порошковой металлургии, "Наноструктурные |
