Кристаллизация в условиях "мягкой" химии новых наноматериалов на основе неорганических фторидов и перспективы их применения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Рассмотрены особенности образования и роста кристаллов фторидов металлов MF2 (М = Ca, Sr, Pb) и MF3 (М = Sc, La, Ln) в результате взаимодействия между компонентами водного раствора соли металла и газообразным фтороводородом на планарной границе раздела фаз при комнатной температуре. В качестве модельных объектов выбраны соединения с различным кристаллическим строением: PbF2 (пр. гр. Pnma, Fm3m), ScF3 (пр. гр. Pm3m, P6/mmm), LaF3 (пр. гр. P3c1). Определены факторы, оказывающие значительное влияние на морфологию, размеры и упорядочение образующихся кристаллов. Показана возможность синтеза 1D- и 2D-кристаллов ряда соединений. Проанализированы вероятные области использования наноматериалов на основе синтезированных соединений. Сделан вывод о перспективах применения развиваемого метода синтеза для создания новых твердых электролитов, оптически активных материалов, функциональных покрытий.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Л. Б. Гулина

Санкт-Петербургский государственный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: l.gulina@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

В. П. Толстой

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: l.gulina@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

И. В. Мурин

Санкт-Петербургский государственный университет

Email: l.gulina@spbu.ru
Россия, Санкт-Петербург

Список литературы

  1. Gránásy L., Pusztai T., Börzsönyi T. et al. // Nat. Mater. 2004. V. 3. № 9. P. 645. https://doi.org/10.1038/nmat1190
  2. Linnikov O.D. // Russ. Chem. Rev. 2014. V. 83. № 4. P. 343. https://doi.org/10.1070/RC2014v083n04ABEH004399
  3. Ivanov V.K., Fedorov P.P., Baranchikov A. et al. // Russ. Chem. Rev. 2014. V. 83. № 12. P. 1204. https://doi.org/10.1070/RCR4453
  4. Lv W., Huo W., Niu Y. et al. // CrystEngComm. 2015. V. 17. № 4. P. 729. https://doi.org/10.1039/c4ce01640h
  5. Zhou W. // Crystals. 2019. V. 9. № 1. P. 7. https://doi.org/10.3390/cryst9010007
  6. Kim H.J., Kim J.H., Jeong J.S. et al. // Nano Letters. 2022. V. 22. № 8. P. 3252. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c04966
  7. Han T., Choi Y., Kwon J.T. et al. // Langmuir. 2020. V. 36. № 33. P. 9843. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c01468
  8. Khodaparast S., Marcos J., Sharratt W.N. et al. // Langmuir. 2021. V. 37. № 1. P. 230. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.0c02821
  9. Pikin S.A. // Phys. A. Stat. Mech. Appl. 1992. V. 191. № 1–4. P. 139. https://doi.org/10.1016/0378-4371(92)90518-U
  10. Buchinskaya I., Fedorov P. // Russ. Chem. Rev. 2004. V. 73. P. 404. https://doi.org/10.1070/RC2004v073n04ABEH000811
  11. Иванов-Шиц А.К., Мурин И.В. Ионика твердого тела: в 2 т., т. 2. СПб.: Изд-во С.-Петерб. ун-та, 2010. 1000 с.
  12. Trnovcová V., Fedorov P.P., Furár I. // J. Rare Earths. 2008. V. 26. № 2. P. 225. https://doi.org/10.1016/S1002-0721(08)60070-8
  13. Trnovcová V., Fedorov P.P., Furár I. // Russ. J. Electrochem. 2009. V. 45. № 6. P. 630. https://doi.org/10.1134/S1023193509060020
  14. Trnovcová V., Fedorov P.P., Buchinskaya I.I. et al. // Solid State Ionics. 1999. V. 119. № 1–4. P. 181. https://doi.org/10.1016/S0167-2738(98)00501-3
  15. Sorokin N.I., Fedorov P.P., Sobolev B.P. // Inorg. Mater. 1997. V. 33. № 1. P. 1.
  16. Hu L., Chen J., Fan L. et al. // J. Am. Ceram. Soc. 2014. V. 97. № 4. P. 1009. https://doi.org/10.1111/jace.12855
  17. Александров А.А., Брагина А.Г., Сорокин Н.И. и др. // Неорган. материалы. 2023. Т. 59. № 3. С. 306. https://doi.org/10.31857/S0002337X23030016
  18. Fedorov P.P., Alexandrov A.A. // J. Fluorine Chem. 2019. V. 227. P. 109374. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2019.109374
  19. Glazunova T., Boltalin A., Fedorov P. // Russ. J. Inorg. Chem. 2006. V. 51. P. 983. https://doi.org/10.1134/S0036023606070011
  20. Liu G., Zhou Z., Fei F. et al. // Phys. B (Amsterdam, Neth.). 2015. V. 457. P. 132. https://doi.org/10.1016/j.physb.2014.10.004
  21. Han L., Wang Y., Guo L. et al. // Nanoscale. 2014. V. 6. № 11. P. 5907. https://doi.org/10.1039/C4NR00512K
  22. Schmidt L., Emmerling F., Kirmse H. et al. // RSC Adv. 2014. V. 4. № 1. P. 32. https://doi.org/10.1039/C3RA43769H
  23. Fujihara S., Kadota Y., Kimura T. // J. Sol-Gel Sci. Technol. 2002. V. 24. № 2. P. 147. https://doi.org/10.1023/A:1015252010509
  24. Heise M., Scholz G., Kemnitz E. // Solid State Sci. 2017. V. 72. P. 41. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2017.08.010
  25. Heise M., Scholz G., Duevel A. et al. // Solid State Sci. 2018. V. 77. P. 45. https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2018.01.007
  26. Ji Q., Melnikova N.A., Glumov O.V. et al. // Ceram. Int. 2023. V. 49. № 11. P. 16901. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2023.02.051
  27. Zheng Y., Zhang Y., Wu J. et al. // Displays. 2014. V. 35. № 5. P. 273. https://doi.org/10.1016/j.displa.2014.10.002
  28. Han Y., Zhang Q., Fang S. et al. // Adv. Mater. Res. 2011. V. 335–336. P. 172. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.335-336.172
  29. Kuznetsov S.V., Osiko V.V., Tkatchenko E.A. et al. // Russ. Chem. Rev. 2006. V. 75. № 12. P. 1065. https://doi.org/10.1070/RC2006v075n12ABEH003637
  30. Abiev R.S., Zdravkov A.V., Kudryashova Y.S. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. № 7. P. 1047. https://doi.org/10.1134/S0036023621070020
  31. Fedorov P.P., Luginina A.A., Tabachkova N.Y. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 8. P. 1211. https://doi.org/10.1134/S0036023622080101
  32. Fedorov P.P., Kuznetsov S.V., Mayakova M.N. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2011. V. 56. № 10. P. 1525. https://doi.org/10.1134/S003602361110007X
  33. Mayakova M.N., Kuznetsov S.V., Voronov V.V. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2014. V. 59. № 7. P. 773. https://doi.org/10.1134/S003602361407016X
  34. Patle A., Patil R.R., Moharil S.V. // AIP Conf. Proc. 2016. V. 1728. № 1. P. 020353. https://doi.org/10.1063/1.4946404
  35. Zhou Z., Li W., Song J. et al. // Ceram. Int. 2018. V. 44. № 4. P. 4344. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.12.028
  36. Kuznetsov S.V., Kozlova A.N., Voronov V.V. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2018. V. 63. № 3. P. 293. https://doi.org/10.1134/S0036023618030130
  37. Fedorov P.P., Mayakova M.N., Kuznetsov S.V. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2017. V. 62. № 9. P. 1173. https://doi.org/10.1134/S0036023617090078
  38. Luginina A.A., Fedorov P.P., Kuznetsov S.V. et al. // Inorg. Mater. 2012. V. 48. № 5. P. 531. https://doi.org/10.1134/S002016851205010X
  39. Yasyrkina D.S., Kuznetsov S.V., Alexandrov A.A. et al. // Nanosyst. Phys. Chem. Math. 2021. V. 12. № 4. P. 505. https://doi.org/10.17586/2220-8054-2021-12-4-505-511
  40. Kuznetsov S.V., Nizamutdinov A.S., Proydakova V.Y. et al. // Inorg. Mater. 2019. V. 55. № 10. P. 1031. https://doi.org/10.1134/S002016851910008X
  41. Fedorov P.P., Luginina A.A., Ermakova J.A. et al. // J. Fluorine Chem. 2017. V. 194. P. 8. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2016.12.003
  42. Бучинская И.И., Сорокин Н.И. // Журн. неорган. химии. 2023. Т. 68. № 7. С. 877. https://doi.org/10.31857/S0044457X23600044
  43. Kuznetsov S.V., Ovsyannikova A.A., Tupitsyna E.A. et al. // J. Fluorine Chem. 2014. V. 161. P. 95. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2014.02.011
  44. Gulina L.B., Weigler M., Privalov A.F. et al. // Solid State Ionics. 2020. V. 352. P. 115354. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2020.115354
  45. Fedorov P.P., Osiko V.V., Kuznetsov S.V. et al. // J. Cryst. Growth. 2014. V. 401. P. 63. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2013.12.069
  46. Tolstoi V.P., Gulina L.B. // Russ. J. Gen. Chem. 2013. V. 83. № 9. P. 1635. https://doi.org/10.1134/S1070363213090016
  47. Tolstoy V.P., Gulina L.B. // J. Nano- Electron. Phys. 2013. V. 5. № 1. P. 01003.
  48. Gulina L.B., Tolstoy V.P., Solovev A.A. et al. // Prog. Nat. Sci. 2020. V. 30. № 3. P. 279. https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2020.05.001
  49. Гулина Л.Б. Синтез твердофазных соединений и наноматериалов с участием химических реакций на границе раздела раствор–газ. Автореф. дис. ... д.х.н.: 1.4.15. СПб, 2022. 38 c.
  50. Forsyth J.B., Wilson C.C., Sabine T.M. // Acta Crystallogr., Sect. A. 1989. V. 45. № 3. P. 244. https://doi.org/10.1107/S0108767388011353
  51. Achary S.N., Tyagi A.K. // Powder Diffr. 2005. V. 20. № 3. P. 254. https://doi.org/10.1154/1.1948391
  52. Gulina L.B., Tolstoy V.P., Kasatkin I.A. et al. // CrystEngComm. 2017. V. 19. № 36. P. 5412. https://doi.org/10.1039/C7CE01396E
  53. Fedorov P.P., Trnovcova V., Kocherba G.I. et al. // Kristallografiya. 1995. V. 40. № 4. P. 716.
  54. Kasatkin I.A., Gulina L.B., Platonova N.V. et al. // CrystEngComm. 2018. V. 20. № 20. P. 2768. https://doi.org/10.1039/C8CE00257F
  55. Gulina L.B., Tolstoy V.P., Petrov Y.V. et al. // Inorg. Chem. 2018. V. 57. № 16. P. 9779. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.8b01375
  56. Yu L., Zhang G., Li S. et al. // J. Cryst. Growth. 2007. V. 299. № 1. P. 184. https://doi.org/10.1016/j.jcrysgro.2006.10.237
  57. Gulina L.B., Tolstoy V.P. // Russ. J. Gen. Chem. 2014. V. 84. № 8. P. 1472. https://doi.org/10.1134/S1070363214080039
  58. Gulina L.B., Tolstoy V.P., Kasatkin I.A. et al. // J. Fluorine Chem. 2015. V. 180. P. 117. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2015.09.002
  59. Gulina L.B., Schikora M., Privalov A.F. et al. // Appl. Magn. Reson. 2019. V. 50. № 4. P. 579. https://doi.org/10.1007/s00723-018-1077-z
  60. Gulina L.B., Tolstoy V.P., Kasatkin I.A. et al. // J. Fluorine Chem. 2017. V. 200. P. 18. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2017.05.006
  61. Cheetham A.K., Fender B.E.F., Fuess H. et al. // Acta Crystallogr., Sect. B. 1976. V. 32. № 1. P. 94. https://doi.org/10.1107/S0567740876002380
  62. Fan F.-R., Ding Y., Liu D.-Y. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131. № 34. P. 12036. https://doi.org/10.1021/ja9036324
  63. Yoo S., Sen R., Simon Z.C. et al. // Chem. Mater. 2023. V. 35. № 16. P. 6274. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c00798
  64. Wen X., Nazemi S.A., da Silva R.R. et al. // Langmuir. 2023. V. 39. № 32. P. 11268. https://doi.org/10.1021/acs.langmuir.3c00799
  65. Yuan H., Wang Y., Yang C. et al. // ChemPhysChem. 2019. V. 20. № 22. P. 2964. https://doi.org/10.1002/cphc.201900524
  66. Amano O., Sasahira A., Kani Y. et al. // J. Nucl. Sci. Technol. 2004. V. 41. № 1. P. 55. https://doi.org/10.1080/18811248.2004.9715457
  67. Smirnov P.R., Grechin O.V., Vashurin A.S. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. № 3. P. 382. https://doi.org/10.1134/S0036023622030111
  68. Zhang H., Banfield J.F. // CrystEngComm. 2014. V. 16. № 8. P. 1568. https://doi.org/10.1039/c3ce41929k
  69. Zhang J., Huang F., Lin Z. // Nanoscale. 2010. V. 2. № 1. P. 18. https://doi.org/10.1039/b9nr00047j
  70. Popov P.A., Sidorov А.А., Kul’chenkov Е.А. et al. // Ionics. 2016. V. 23. № 1. P. 233. https://doi.org/10.1007/s11581-016-1802-2
  71. Takami T., Pattanathummasid C., Kutana A. et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 2023. V. 35. P. 29. https://doi.org/10.1088/1361-648X/accb32
  72. Kühn H.J., Duparré A., Richter W. et al. // Thin Solid Films. 1991. V. 201. № 2. P. 281. https://doi.org/10.1016/0040-6090(91)90117-G
  73. Zhu G., Liu P., Hojamberdiev M. et al. // J. Mater. Sci. 2010. V. 45. № 7. P. 1846. https://doi.org/10.1007/s10853-009-4168-2
  74. Wang G., Peng Q., Li Y. // J. Am. Chem. Soc. 2009. V. 131. № 40. P. 14200. https://doi.org/10.1021/ja906732y
  75. Lyapin A.A., Ryabochkina P.A., Chabushkin A.N. et al. // J. Lumin. 2015. V. 167. P. 120. https://doi.org/10.1016/j.jlumin.2015.06.011
  76. Волчек А.А., Кузнецов С.В. // Журн. неорган. химии. 2023. Т. 68. № 8. С. 1005. https://doi.org/10.31857/S0044457X22602371
  77. Li Z., Zhang Y., Huang L. et al. // Theranostics. 2016. V. 6. № 13. P. 2380. https://doi.org/10.7150/thno.15914
  78. Sorokin N.I., Karimov D.N., Grebenev V.V. et al. // Crystallogr. Rep. 2016. V. 61. № 2. P. 270. https://doi.org/10.1134/S1063774516020267
  79. Kobayashi S., Kokubo M. // Synlett. 2008. V. 2008. № 10. P. 1562. https://doi.org/10.1055/s-2008-1078409
  80. Cao J., Yuan L., Hu S. et al. // CrystEngComm. 2016. V. 18. № 31. P. 5940. https://doi.org/10.1039/c6ce01198e
  81. Ai Y., Tu D., Zheng W. et al. // Nanoscale. 2013. V. 5. № 14. P. 6430. https://doi.org/10.1039/C3NR01529G
  82. Piskunov S., Žguns P.A., Bocharov D. et al. // Phys. Rev. B: Condens. Matter. 2016. V. 93. № 21. P. 214101. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.214101
  83. Hu L., Chen J., Sanson A. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2016. V. 138. № 27. P. 8320. https://doi.org/10.1021/jacs.6b02370
  84. Yang C., Tong P., Lin J.C. et al. // Appl. Phys. Lett. 2016. V. 109. № 2. P. 023110. https://doi.org/10.1063/1.4959083
  85. Greve B.K., Martin K.L., Lee P.L. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2010. V. 132. № 44. P. 15496. https://doi.org/10.1021/ja106711v
  86. Gulina L.B., Schäfer M., Privalov A.F. et al. // J. Chem. Phys. 2015. V. 143. № 23. P. 234702. https://doi.org/10.1063/1.4937415
  87. Denecke M.A., Gunßer W., Privalov A.V. et al. // Solid State Ionics. 1992. V. 52. № 4. P. 327. https://doi.org/10.1016/0167-2738(92)90179-S
  88. Wang F., Grey C.P. // Chem. Mater. 1997. V. 9. № 5. P. 1068. https://doi.org/10.1021/cm970044f
  89. Sorokin N.I., Smirnov A.N., Fedorov P.P. et al. // Russ. J. Electrochem. 2009. V. 45. № 5. P. 606. https://doi.org/10.1134/S1023193509050206
  90. Gulina L.B., Schäfer M., Privalov A.F. et al. // J. Fluorine Chem. 2016. V. 188. P. 185. https://doi.org/10.1016/j.jfluchem.2016.07.006
  91. Gulina L.B., Privalov A.F., Weigler M. et al. // Appl. Magn. Reson. 2020. V. 51. № 12. P. 1691. https://doi.org/10.1007/s00723-020-01247-5
  92. Sinitsyn V.V., Lips O., Privalov A.F. et al. // J. Phys. Chem. Solids. 2003. V. 64. № 7. P. 1201. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(03)00050-7

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. СЭМ-изображения кристаллов, синтезированных на поверхности 0.02 М водных растворов Ca(CH3COO)2 (а) и Sr(CH3COO)2 (б) в результате их обработки газообразным HF. а, б строчные; µm заменить на мкм

Скачать (183KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Рентгенограммы кристаллов SrF2 (а) и PbF2 (б), синтезированных в результате взаимодействия в течение 40 мин с газообразным HF на поверхности 0.02 М водных растворов Sr(CH3COO)2 и Pb(CH3COO)2 соответственно. Положения максимумов в нижней части рисунка характеризуют кристаллическую структуру флюорита состава SrF2 [50] (а) и β-PbF2 [51] (б).

Скачать (92KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Оптические (а, г) и СЭМ-изображения (б, в, д) кристаллов PbF2, синтезированных на поверхности растворов Pb(CH3COO)2 (а–в) и Pb(CH3COO)2/KCH3COO (г, д) при действии газообразного HF; е — картина Кикучи двумерного кристалла PbF2 с указанием индексации атомных плоскостей.

Скачать (274KB)
Метаданные
5. Рис. 4. СЭМ-изображения при различном увеличении кристаллов, синтезированных на поверхности 0.1 М (а, б) и 0.05 М (в, г) водных растворов ScCl3; 0.02 М Sc(NO3)3 (д) в результате взаимодействия с газообразным HF; е — изображение трубки ScF3, полученное методом HeИМ. а–е строчные; µm заменить на мкм; нм

Скачать (213KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Результаты исследования кристаллической структуры материалов на основе фторида скандия: а — рентгенограмма пленки (45% c-ScF3); б — рентгенограмма порошка из стержнеобразных кристаллов (96% h-ScF3); в — ПЭМ-изображения и электронограмма стенки трубки ScF3. а–в строчные в скобках; по оси х 2θ (CuKα), град

Скачать (103KB)
Метаданные
7. Рис. 6. СЭМ-изображения пленок, синтезированных на поверхности 0.035 М водного раствора LaCl3 (а) и азотнокислого раствора La(NO3)3 (б) в результате их обработки газообразным HF; в, г — ПЭМ ВР-изображения частиц, полученных на поверхности азотнокислого раствора La(NO3)3 под действием HF.

Скачать (254KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Рентгенограммы пленок LaF3 на поверхности монокристаллического кремния, синтезированных в результате 40 мин взаимодействия с газообразным HF на поверхности 0.035 М водного раствора LaCl3 с равновесным рН (а) и 0.035 М раствора La(NO3)3 в присутствии 1 М НNO3 (б).

Скачать (100KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024