RU2549421C2

RU2549421C2 - Способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия

Info

Publication number: RU2549421C2
Application number: RU2013140704/05A
Authority: RU
Inventors: Галина Степановна Захарова
Priority date: 2013-09-03
Filing date: 2013-09-03
Publication date: 2015-04-27
Also published as: RU2013140704A

Abstract

Изобретение может быть использовано в производстве катодного материала химических источников тока, а также термисторов, резисторов, устройств для записи и хранения информации. Способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅ включает получение реакционной смеси, содержащей метаванадат натрия гидрат NaVO₃·2H₂O, и добавление к смеси гидроксида натрия до установления pH 7,5-9,5. Реакционную смесь помещают в автоклав и проводят гидротермальную обработку, нагревая до 140-180°C и выдерживая при этой температуре 24-48 часов. Реакционная смесь дополнительно содержит сульфат ванадила гидрат состава VOSO₄·3H₂O, взятый в эквимолярном количестве по отношению к метаванадату натрия гидрату. Полученный продукт фильтруют, промывают и сушат. Изобретение позволяет исключить использование вредных или ядовитых веществ, входящих в состав реакционной смеси. 2 ил., 3 пр.

Description

Изобретение относится к способам получения наноразмерных материалов, в частности к способу получения оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅ с морфологией наночастиц, для которой наблюдается структурный фазовы переход металл-диэлектрик (переход Пайерса) при температуре 34 К. Явление фазового перехода металл-диэлектрик используется на практике в термисторах, резисторах, устройствах для записи и хранения информации и т.д. Кроме того, оксидная ванадиевая бронза натрия α'-NaV₂O₅ как соединение со слоистой структурой представляет интерес в качестве катодного материала химических источников тока.

Известен способ получения оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅ путем выращивания кристаллов из расплава (М. Lohmarnn, A. Loidl, М. Klemm, G. Obermeier, S. Horn «ESR study of the spin-peierls transition in NaV₂O₅» Solid State Commun. 1997. V. 104. №11. P. 649-652). Способ включает две стадии. Стехиометрические количества метаванадата натрия NaVO₃ и диоксида ванадия VO₂, перетертые в агатовой ступке и запрессованные в таблетку, помещают в вакуумированную кварцевую ампулу и отжигают при 620°C в течение 4 дней. Затем реакционную массу расплавляют, нагревая ее до температуры выше температуры плавления. После чего охлаждают со скоростью 7 град/ч. При этом образуются монокристаллы орторомбической сингонии с параметрами элементарной ячейки а=11.318 Å, b=3.611 Å, с=4.797 Å.

Недостатками известного способа являются многостадийность процесса, сложность аппаратурного оформления для достижения необходимой скорости охлаждения расплава, использование в качестве исходного компонента легко окисляемого нестабильного диоксида ванадия, проведение синтеза с использованием ампульной технологии.

Известен способ получения оксидной ванадиевой бронзы натрия состава NaV₂O₅ (Патент CN 102417206, МПК B82Y 40/00; C01G 31/00; 2012 год). В известном способе ароматические карбоновые кислоты, используемые в качестве прекурсоров, растворяют при перемешивании в водном растворе этанола в течение 3 ч, добавляя гидроксид натрия NaOH, метаванадат аммония NH₄VO₃, полученный раствор помещают в автоклав и выдерживают при температуре 150-200°C в течение 2-60 дней. Полученный в результате продукт промывают, фильтруют и высушивают на воздухе при 40-60°C.

Недостатком известного способа является длительность синтеза (до 1 месяца), а также использование ароматических карбоновых кислот, которые легко гидролизуются даже в нейтральных растворах и летучи в парах воды.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения наночастиц оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅ в виде наноигл (F. Hu, X. Ming, G. Chen, Ch. Wang, A. Li, J. Li, Y. Wei «Synthesis and characterizations of highly crystallized α'-NaV₂O₅ needles prepared by a hydrothermal process», J. Alloys and Compounds, 2009, v. 479, p. 888-892)(прототип). В известном способе получение бронзы проводят в гидротермальных условиях в присутствии солянокислого гидроксиламина NH₂OH∙HCl. Порошок метаванадата натрия гидрата NaVO₃∙2Н₂О и солянокислый гидроксиамин NH₂OH∙HCl растворяют в воде при 80°C, добавляют фторид натрия NaF, перемешивая реакционную массу в течение 1 ч. Затем добавляют гидроксид натрия NaOH до установления pH=8. Реакционную массу помещают в автоклав и выдерживают при температуре 180°C в течение 24 ч. Полученный осадок промывают водой, а затем сушат при 80°C на воздухе. По данным рентгенофазового анализа состав полученного продукта соответствует α'-NaV₂O₅ орторомбической сингонии (JCPDS 70-0870). Согласно сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) длина иглоподобных частиц α'-NaV₂O₅ до 10 мкм, ширина равна 200-300 нм, толщина - 50-100 нм.

Недостатком известного способа получения является использование солянокислого гидроксиламина, который, во-первых, является ядовитым веществом (см. http://www.pcgroup.ru/products), во-вторых, быстро разлагается в присутствии щелочей, что и обуславливает использование гидроксида натрия для установления строго определенного значения pH реакционной массы (pH=8). Кроме того, наночастицы α'-NaV₂O₅ в форме иголок образуются только в присутствии добавки - фторида натрия, который также относится к вредным соединениям.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать способ получения наноразмерной оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅, обеспечивающий экологическую безопасность процесса за счет исключения использования вредных и ядовитых ингредиентов.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия, включающем получение реакционной смеси, содержащей метаванадат натрия гидрат, добавление к смеси гидроксида натрия, помещение в автоклав и гидротермальную обработку реакционной смеси, последующее фильтрование, промывку и сушку, в котором реакционная смесь дополнительно содержит сульфат ванадила гидрат состава VOSO₄∙3H₂O, взятый в эквимолярном количестве по отношению к метаванадату натрия гидрату NaVO₃∙2H₂O, а гидроксид натрия добавляют до установления pH, равного 7,5-9,5; при этом реакционную смесь помещают автоклав, нагревают до 140-180°C и при этой температуре выдерживают 24-48 часов.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅ с использованием в процессе синтеза реакционной смеси, содержащей сульфат ванадила гидрат при определенном (эквимолярном) соотношении по отношению к метаванадату натрия гидрату, с установлением pH, равного 7,5-9,5 путем добавления гидроксида натрия, и последующим нагреванием смеси до 140-180°C и выдержкой при этой температуре в течение 24-48 часов в автоклаве.

При этом добавляют гидроксид натрия до установления pH, равного 7,5÷9,5.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅ с использованием в процессе синтеза реакционной смеси, содержащей сульфат ванадила гидрат при определенном (эквимолярном) соотношении по отношению к метаванадату натрия гидрату.

Исследования, проведенные авторами, позволили сделать вывод, что наноиглы оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅ без использования вредных и ядовитых компонентов могут быть получены при условии использования сульфата ванадила гидрата VOSO₄∙3H₂O, в котором ионы ванадия уже имеют степень окисления равную четырем, что позволяет отказаться в процессе синтеза от использования различного типа восстановителей и создавать щелочность реакционной массы в широком диапазоне pH. Кроме того, это позволяет получить оксидную ванадиевую бронзу натрия состава α'-NaV₂O₅ со 100% выходом, без возможных примесей в виде соединений V₂O₄ или VO(OH)₂, или V₃O₇·H₂O, или V₆O₁₃. Экспериментальным путем было установлено, что молярное соотношение исходных компонентов реакционной массы, точное соблюдение которого определяет состав, структуру и морфологию конечного продукта, должно быть эквимолярным, т.е. равно NaVO₃·2H₂O:VOSO₄·3H₂O=1:1. Необходимость соблюдения указанного соотношения обусловлено ионным состоянием ванадия в растворе. Проведение процесса в пределах заявляемого соотношения позволяет получать однофазный продукт, исключить процессы гидролиза метаванадата натрия и образование каких-либо примесных фаз. При уменьшении молярного соотношения исходных компонентов реакционной массы (содержание сульфата ванадила гидрата по отношению к метаванадату натрия гидрату больше, чем эквимолярное) в продуктах реакции наблюдаются в качестве примесей оксиды ванадия V₂O₄, V₆O₁₃, гидроксид ванадия (IV) VO(OH)₂. При увеличении молярного соотношения исходных компонентов реакционной массы (содержание сульфата ванадила гидрата по отношению к метаванадату натрия гидрату меньше, чем эквимолярное) дополнительно с основной фазой α'-NaV₂O₅ могут образовываться ванадаты натрия (Na₂V₂O₇, Na₃VO₄).

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Берут порошок метаванадата натрия гидрата NaVO₃·2H₂O, растворяют в воде. К полученному раствору при перемешивании добавляют раствор сульфата ванадила гидрата VOSO₄·3H₂O, приготовленный растворением эквимолярного количества по отношению к метаванадату натрия гидрату порошка VOSO₄·3H₂O в воде. К полученной смеси по каплям добавляют 1 М водный раствор гидроксида натрия до установления pH раствора 7,5÷9,5. Полученную реакционную массу помещают в автоклав, нагревают до 140÷180°C и при этой температуре выдерживают 24÷48 часов. После этого автоклав охлаждают до комнатной температуры, полученный продукт фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе при 60°C.

Аттестацию полученного продукта проводят с помощью рентгенофазового анализа (РФА) и сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). По данным РФА полученный порошок черного цвета является оксидной ванадиевой бронзой натрия состава α'-NaV₂O₅. Согласно СЭМ частицы оксидной ванадиевой бронзы натрия имеют морфологию наноигл диаметром 100-200 нм и длиной 80-130 мкм. Наноиглы собраны в пучки диаметром 1-1.5 мкм.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами

Пример 1. Берут 0.2 г порошка метаванадата натрия гидрата NaVO₃·2H₂O, растворяют в 15 мл воды. К полученному раствору при перемешивании добавляют в эквимолярном соотношении раствор сульфата ванадила гидрата VOSO₄·3H₂O, приготовленный растворением 0.27 г порошка VOSO₄·3H₂O в 15 мл воды. К полученной смеси по каплям добавляют 1 М водный раствор гидроксида натрия до установления pH раствора 7.5. Полученную реакционную массу помещают в автоклав, нагревают до 140°C и при этой температуре выдерживают 48 часов. После этого автоклав охлаждают до комнатной температуры, полученный продукт фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе при 60°С. По данным рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов полученный продукт однофазный, имеет состав α'-NaV₂O₅, кристаллизуется в орторомбической сингонии с параметрами кристаллической решетки a=11.38 Å, b=3.64 Å, c=9.86 Å и состоит из агломерированных нанонаноигл диаметром 100-200 нм. На фиг.1 представлена рентгенограмма α'-NaV₂O₅. На фиг.2 приведено СЭМ-изображение синтезированных наночастиц α'-NaV₂O₅.

Пример 2. Берут 0.32 г порошка метаванадата натрия гидрата NaVO₃·2H₂O, растворяют в 15 мл воды. К полученному раствору при перемешивании добавляют в эквимолярном соотношении раствор сульфата ванадила гидрата VOSO₄·3H₂O, приготовленный растворением 0.43 г порошка VOSO₄·3H₂O в 15 мл воды. К полученной смеси по каплям добавляют 1 М водный раствор гидроксида натрия до установления pH раствора 8.5. Полученную реакционную массу помещают в автоклав, нагревают до 160°C и при этой температуре выдерживают 48 часов. После этого автоклав охлаждают до комнатной температуры, полученный продукт фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе при 60°C. По данным рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов полученный продукт однофазный, имеет состав α'-NaV₂O₅, кристаллизуется в орторомбической сингонии с параметрами кристаллической решетки a=11.38 Å, b=3.64 Å, c=9.86 Å и состоит из агломерированных наноигл диаметром 100-200 нм.

Пример 3. Берут 0.79 г порошка метаванадата натрия гидрата NaVO₃·2H₂O, растворяют в 15 мл воды. К полученному раствору при перемешивании добавляют в эквимолярном соотношении раствор сульфата ванадила гидрата VOSO₄·3H₂O, приготовленный растворением 1,08 г порошка VOSO₄·3H₂O в 15 мл воды. К полученной смеси по каплям добавляют 1 М водный раствор гидроксида натрия до установления pH раствора 9.5. Полученную реакционную массу помещают в автоклав, нагревают до 180°C и при этой температуре выдерживают 24 часов. После этого автоклав охлаждают до комнатной температуры, полученный продукт фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе при 60°C. По данным рентгенофазового и электронно-микроскопического анализов полученный продукт однофазный, имеет состав α'-NaV₂O₅, кристаллизуется в орторомбической сингонии с параметрами кристаллической решетки a=11.38 Å, b=3.64 Å, c=9.86 Å и состоит из агломерированных наноигл диаметром 100-200 нм.

Таким образом, авторами предложен способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅, исключающий использование вредных или ядовитых ингредиентов, входящих в состав реакционной массы. Предложенный способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия состава α'-NaV₂O₅ также позволяет расширить технологические параметры проведения синтеза за счет увеличения интервала щелочности реакционной массы.

Claims

Способ получения наноигл оксидной ванадиевой бронзы натрия, включающий получение реакционной смеси, содержащей метаванадат натрия гидрат, добавление к смеси гидроксида натрия, помещение в автоклав и гидротермальную обработку реакционной смеси, последующее фильтрование, промывку и сушку, отличающийся тем, что реакционная смесь дополнительно содержит сульфат ванадила гидрат состава VOSO₄·3H₂O, взятый в эквимолярном количестве по отношению к метаванадату натрия гидрату NaVO₃·2H₂O, а гидроксид натрия добавляют до установления pH, равного 7,5-9,5; при этом реакционную смесь помещают в автоклав, нагревают до 140-180°C и при этой температуре выдерживают 24-48 часов.