Электрическая проводимость твердых растворов на основе голландита, полученных в системе Cs2O–Al2O3–TiO2 методом сжигания

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

В статье представлены результаты исследования концентрационных границ существования голландитовой фазы в системе Cs2O–Al2O3–TiO2. Методом сжигания цитратно-нитратных композиций был получен ряд образцов с различным соотношением цезия, алюминия и титана. С помощью рентгенофазового анализа, а также электронной сканирующей микроскопии изучены фазовый состав и микроструктура полученных материалов. При исследовании электрических свойств было установлено, что наибольшей удельной электропроводностью обладал образец Cs1.16Al1.84Ti6.33O16 (σ = 5.45×10–5См/см при t = 750 °С).

Full Text

Restricted Access

About the authors

О. Ю. Синельщикова

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН

Author for correspondence.
Email: sinelshikova@mail.ru
Russian Federation, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2

Н. В. Беспрозванных

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН

Email: besprozvannykh.nv@gmail.com
Russian Federation, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2

Д. С. Ершов

Институт химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН

Email: sinelshikova@mail.ru
Russian Federation, 199034, Санкт-Петербург, наб. Макарова, 2

References

  1. Cao C., Singh K., Hay Kan W., Avdeev M. and Thangadurai V. Electrical properties of hollandite-type Ba1.33Ga2.67Ti5.33O16, K1.33Ga1.33Ti6.67O16, and K1.54Mg0.77Ti7.23O16 // Inorg. Chem. 2019. V. 58. P. 4782 – 4791. doi: 10.1021/acs.inorgchem.8b03152
  2. Kijima N., Sakao M., Manabe T. and Akimoto J. Synthesis, crystal structure, and electrochemical properties of niobium-substituted hollandite-type titanium dioxides, KxTi1–yNbyO2, with different potassium content in the tunnel space // Solid State Ion. 2021. V. 369. 115727. doi: 10.1016/j.ssi.2021.115727
  3. Khan M.N., Han L., Wang P., He J., Yang B., Yan T., Shi L. and Zhang D. SO2-tolerant NOx reduction over ceria-based catalysts: Shielding effects of hollandite Mn-Ti oxides // Chem. Eng. J. 2020. V. 397. 125535. doi: 10.1016/j.cej.2020.125535
  4. Беспрозванных Н.В., Синельщикова О.Ю., Кучаева С.К., Уголков В.Л., Альмяшев В.И., Смирнова А.М., Коптелова Л.А. и Петров С.А. Методика золь гель синтеза и выщелачивания калиевых голландитов // ЖПХ. 2015. Т. 88. С. 185-189. [Besprozvannykh N.V., Sinel’nikova O.Y., Kuchaeva S.K., Ugolkov V.L., Al’myashev V.I., Smirnova A.M., Koptelova, L.A. and Petrov, S.A., Sol-gel synthesis and leaching of potassium hollandites // Russ. J. Appl. Chem. 2015. V. 88. P. 192 – 196. doi: 10.1134/S1070427215020020 ]
  5. Fang Z., Xu X., Yang X., Xie H., Zhao X., Wang B., Zhao D. and Yang Y. Structural stability and aqueous durability of Cs incorporation into BaAl2Ti6O16 hollandite. // J. Nucl. Mater. 2022. V. 565. 153716. doi: 10.1016/j.jnucmat.2022.153716
  6. Bailey D.J., Stennett M.C., Mason A.R. and Hyatt N.C. Synthesis and characterisation of the hollandite solid solution Ba1.2-xCsxFe2.4-xTi5.6+xO16 for partitioning and conditioning of radiocaesium // J. Nucl. Mater. 2018. V. 503. P. 164 – 170. doi: 10.1016/j.jnucmat.2018.03.005
  7. Aubin-Chevaldonnet V., Caurant D., Dannoux A., Gourier D., Charpentier T., Mazerolles L., et al. Preparation and characterization of (Ba,Cs)(M,Ti)8O16 (M = Al3+, Fe3+, Ga3+, Cr3+, Sc3+, Mg2+) hollandite ceramics developed for radioactive cesium immobilization // J. Nucl. Mater. 2007. V. 366. P. 137 – 160. doi: 10.1016/j.jnucmat.2006.12.051
  8. Carter M.L., Withers R.L. A universally applicable composite modulated structure approach to ordered BaxMyTi8-yO16 hollandite-type solid solutions // J. Solid State Chem. 2005. V. 178. P. 1903 – 1914. doi: 10.1016/j.jssc.2005.03.040
  9. Tang M., Tumurugoti P., Clark B., Sundaram S.K., Amoroso J., Marra J., et al. Heavy ion irradiations on synthetic hollandite-type materials: Ba1.0Cs0.3A2.3Ti5.7O16 (A=Cr, Fe, Al) // J. Solid State Chem. 2016. V. 239. P. 58 – 63. doi: 10.1016/j.jssc.2016.04.014
  10. Ewing R.C., Weber W.J., Clinard F.W. Radiation effects in nuclear waste forms for high-level radioactive waste // Prog. Nucl. Energy. 1995. V. 29. P. 63 – 127. doi: 10.1016/0149-1970(94)00016-Y
  11. Grote R., Hong T., Shuller-Nickles L., Amoroso J., Tang M., Brinkman K.S. Radiation tolerant ceramics for nuclear waste immobilization: Structure and stability of cesium containing hollandite of the form (Ba,Cs)1.33(Zn,Ti)8O16 and (Ba,Cs)1.33(Ga,Ti)8O16 // J. Nucl. Mater. 2019. V. 518. P. 166 – 176. doi: 10.1016/j.jnucmat.2019.03.005
  12. Петров С.А., Григорьева Л.Ф., Сазеев И.Ю., Филатов С.К. Некоторые кристаллохимические особенности фаз со структурой голландита, кристаллизующихся в системах K2O-MO(M2O3)–TiO2 (M – Mg, Zn, Ga); MI2 O–MgO–TiO2 (MI – Li, K, Rb, Cs) // Неорган. материалы. 1994. Т. 30. С. 963 – 966.
  13. Vasileiadis A. and Wagemaker M. Thermodynamics and kinetics of Na-ion insertion into hollandite-TiO2 and O3-layered NaTiO2: an unexpected link between two promising anode materials for Na-ion batteries // Chem. Mater. 2017. V. 29. P. 1076 – 1088. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b03928
  14. Zhang Q., Wei Y., Yang H., Su D., Ma Y., Li H., Zhai T. Tunnel-structured KxTiO2 nanorods by in situ carbothermal reduction as a long cycle and high rate anode for sodiumion batteries // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2017. V. 9. P. 7009 – 7016. doi: 10.1021/acsami.6b13869
  15. Ding J., Hu W., Paek E., Mitlin D. Review of hybrid ion capacitors: from aqueous to lithium to sodium // Chem. Rev. 2018. V. 118. P. 6457 – 6498. doi: 10.1021/acs.chemrev.8b00116
  16. Feng T., Li L., Lv Z., Li B., Zhang Y., Li G. Temperature-dependent electrical transport behavior and structural evolution in hollandite-type titanium-based oxide // J. Amer. Chem. Soc. 2019. V. 102. P. 6381 – 7030. doi: 10.1111/jace.16520
  17. Gorokhovsky A.V., Tretyachenko E.V., Goffman V.G., Gorshkov N.V., Fedorov F.S., Sevryugin A.V. Preparation and dielectric properties of ceramics based on mixed potassium titanates with the hollandite structure // Inorg. Mater. 2016. V. 52. P. 587 – 592. doi: 10.1134/S0020168516060042
  18. Gorshkov N.V., Goffman V.G., Vikulova M.A., Burmistrov I.N., Kovnev A.V., Gorokhovsky A.V. Dielectric properties of the polymer–matrix composites based on the system of Co-modified potassium titanate–polytetrafluorethylene // J. Compos. Mater. 2018. V. 52. P. 135 – 144. doi: 10.1177/0021998317703692
  19. Gorshkov N., Vikulova M., Gorbunov M., Mikhailova D., Burmistrov I., Kiselev N., Artyukhov D., Gorokhovsky A. Synthesis of the hollandite-like copper doped potassium titanate high-k ceramics // Ceram. Int. 2021. V. 47. P. 5721 – 5729. doi: 10.1016/j.ceramint.2020.10.158
  20. Knyazev A.V., Maczka M., Ladenkov I.V., Bulanov E.N, Ptak M. Crystal structure, spectroscopy, and thermal expansion of compounds in MI2O–Al2O3 –TiO2 system // J. Solid State Chem. 2012. V. 196. P. 110 – 118. doi: 10.1016/j.jssc.2012.05.043
  21. Burdett J.K., Hughbanks T., Miller G.J., Richardson J.W.jr., Smith J.V. Structural-electronic relationships in inorganic solids: Powder neutron diffraction studies of the rutile and anatase polymorphs of titanium dioxide at 15 and 295 K // J. Am. Chem. Soc. 1987. V. 109. P. 3639 – 3646. doi: 10.1021/ja00246a021
  22. Takahashi T., Kuwabara K. Ionic conductivities of hollandites // Electrochim. Acta. 1978. V. 23. P. 375 – 379. doi: 10.1016/0013-4686(78)80077-2
  23. Besprozvannykh N.V., Sinel’shchikova O.Yu., Morozov N.A., Kuchaeva S.K., Galankina O.L. Combustion synthesis and electrophysical properties of hollandites of the system K2O–MeO–TiO2 (Me = Mg, Ni, Cu) // С eram. Int. 2022. V. 48. P. 24283 – 24289. doi: 10.1016/j.ceramint.2022.04.048

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Diffraction patterns of the obtained samples: 1) CA1.4; 2) CA1.6; 3) CA1.8; 4) CA2.

Download (97KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Micrographs of sample CA1.4 at different magnifications (black and white images) and its mapping according to ERFA (color images).

Download (454KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Temperature dependence of electrical conductivity of samples: 1) CA1.4; 2) CA1.6; 3) CA1.8; 4) CA2.

Download (105KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Impedance hodograph and equivalent circuit for sample CA1.8 at 750 °C. The dots show the experimental values, the line shows the results of modeling using the constructed equivalent circuit.

Download (50KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences