Formation of polyfunctional photocatalytically active  layered oxide materials using coordination nitrates REE  and alkali metal as precursors

Оleksandr Dryuchko; Natalia Bunyakina; Оleksandr Shefer; Оleksandr Laktionov; Vasyl Halai

doi:10.26906/znp.2021.57.2597

Оleksandr Dryuchko Національний університет «Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка» https://orcid.org/0000-0002-2157-0526
Natalia Bunyakina Національний університет «Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка» https://orcid.org/0000-0003-4241-5127
Оleksandr Shefer Національний університет «Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка» https://orcid.org/0000-0002-3415-349X
Оleksandr Laktionov Національний університет «Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка» https://orcid.org/0000-0002-5230-524X
Vasyl Halai Національний університет «Полтавська політехніка імені Юрія Кондратюка» https://orcid.org/0000-0002-1205-7923

DOI: https://doi.org/10.26906/znp.2021.57.2597

Ключові слова: лужні координаційні нітрати лантаноїдів, умови утворення, кристалічна будова сполук, характерні властивості, перетворення з фізичною активацією

Анотація

Комплексним системним дослідженням взаємодії структурних компонентів у системах нітратів рідкісноземельних і ІА групи елементів періодичної системи – прекурсорів сучасних багатокомпонентних оксидних поліфункціональних матеріалів на їх основі – встановлено утворення чисельного класу лужних координаційних нітратів лантаноїдів. Виявлені об’єктивні закономірності мають фундаментальну і прикладну цінність, поглиблюють розуміння про: хімічні і фізичні властивості Ln, їх комплесоутворюючу здатність; можливість утворення й існування в аналогічних системах асоційованих нових фаз, їх атомно-кристалічну будову, стійкість і стабільність; вплив природи лантаноїдів і лужних металів на структуру комплексних аніонів і сполук у цілому; індивідуальність Ln комплексів; існування ізотипних за складом і структурою груп сполук за природними рядами лантаноїдів і лужних металів; роль NO₃^-- груп в стереохімії цього класу нітратів; роль води у формуванні найближчого оточення іонів Ln³⁺- комплексоутворювачів. Одержана система знань про перетворення у системах РЗЕ-вмісних нітратних попередників і кристалохімічні властивості зразків координаційних нітратів Ln набуває особливу цінність при формуванні наноструктурованих шаруватих перовскитоподібних сполук лантаноїдів і перехідних елементів (в тому числі титану та інших), твердих розчинів на їх основі; при встановленні технологічно-функціональних залежностей між способом приготування, варіативністю методу активації технологічних систем, методологією виготовлення цільового продукту і його фазовим складом, параметрами решіток, величиною питомої поверхні, морфологією складових частинок, активністю шарів самоочищуючихся композицій з фотокаталітичними і гідрофільними властивостями, сформованими на поверхні конструкційних і спеціального призначення елементах; при практичній реалізації інноваційних проектів розкладання води для цілей отримання водню, розкладання токсичних органічних речовин у розчинах і повітрі, неповного окиснення вуглеводів; при отриманні нових перовскитоподібних фаз та в інших сферах

Посилання

1. Mazurenko E.A., Gerasemchuk A.I., Trunova E.K. et al. (2004). Coordination compounds of metals ‒ precursors of functional materials. Ukr. chem. Journal, 70, 32-37
2. Belous A.G. (2009). Some trends in the development of functional materials based on complex oxide systems. Ukr. chem. Journal, 75, 3-14
3. Zhang Q., Schmidt N., Lan J. et al. (2014). A facile method for the synthesis of the Li0,3La0,57TiO3 solid state electrolyte. Chem. Com., 50, 5593-5596
4. Gavrilenko, O.M., Pashkova, O.V., Bіlous, A.G. (2005). Ukr. chem. journal, 71(8), 73-80
4. Gavrilenko O.M., Pashkova O.V., Bіlous A.G. (2005). Crystallochemical properties and properties of Li+,{Na+, K+}-substituted niobates of lanthanum and the structure of defective perovskite. Ukr. chem. Journal, 71, 73-77
5. Fortal’nova E.A., Gavrilenko O.N., Belous A.G. et al. (2008). Lithium conductive oxides: synthesis, structure, electrically conducting properties. Ros. chem. journal, LII, 43-51
6. Belous A.G. (2008). Complex metal oxides for super-high-frequency and high-permeability dielectrics. Ukr. chem. journal, 74, 3-21
7. Yakovleva I.S., Isupova L.A. (2012). Pat. RU 2440292. Method for obtaining perovskites. Moscow
8. Schaak R.E., Mallouk T.E. (2012). Perovskites by Design: A Toolbox of Solid-State Reactions. Chemistry of Materials, 14(4), 1455-1471
9. Rodionov I.A., Siljukov O.I., Zvereva I.A. (2012). Investigation of the photocatalytic activity of layered oxides ALnTiO4 (A = Na, Li, H). Journal of General Chemistry, 4, 548-555
10. Drjuchko O.G., Storozhenko D.O., Bunjakіna N.V., Korobko B.O. (2018). Physico-chemical characterization of coordination nitrates of REE and alkali metals – precursors of oxide polyfunctional materials. Bulletin of the NTU «KhPI». Chemistry, Chemical Technology and Ecology, 39(1315), 3-13
https://doi:10.20998/2079-0821.2018.39.01

11. Dryuchko O., Storozhenko D., Vigdorchik A., Bunyakina N., Ivanytska I., Kytaihora K., Khaniukov V. (2019). Features of transformations in REE-containing systems of nitrate precursors in preparatory processes of formation of multifunctional oxide materials. Molecular Crystals and Liquid Crystals, 72(1), 199-214
https://doi.org/10.1080/15421406.2018.1542066

12. Xianhong Zhang, Anji Zhang, Haiyin Zhang, Jihe Luo, Lily Chen (2011). Pat. CN. 102382490A. Preparation and application of a hydrophilic self-cleaning coating with photocatalytic activity. Сlaimed
13. Varma A., Mukasyan A.S., Rogachev A.S. et al. Solution Combustion Synthesis of Nanoscale Materials. American Chemical Society. Chem. Rev. 2016. Vol. 116. P. 14493–14586.
14. Seeber A., Klein A.N., Speller C.V. et al. (2010). Sintering Unalloyed Titanium in DC Electrical Abnormal Glow Discharge. Materials Research, 13(1), 99-106
15. Fujishima A., Zhang X., Trykc D.A. (2008). TiO2 photocatalysis and related surface phenomena. Surface Science Reports, 63(12), 515-582
16. Kudrenko E.O., Shmytko Y.M., Strukova H.K. (2008). Structure of the precursors of the complex oxides rare-earth elements, obtained by the method of the thermolysis of the solvent. Solid state physics, 5(50), 924-930
17. Lagaly G. (1986). Interaction of alkylamines with different types of layered compounds. Solid State Ionics, 1(22), 43-51
18. Machida M., Miyazaki K., Matsushima S. et al. (2003). Photocatalytic properties of layered perovskite tantalates, MLnTa2O7 (M = Cs, Rb, Na, and H; Ln = La, Pr, Nd, and Sm). J. Mater. Chem, 6(13), 1433-1445
19. Silyukov O., Chislov V., Burovikhina A. et al. (2012). Thermogravimetry study of ion exchange and hydration in layered oxide materials J. Therm. Anal. Calorim, 1(110), 187-192
20. Gopalakrishnan J., Sivakumar T., Ramesha K. et al. (2000). Transformations of Ruddlesden-Popper oxides tonew layered perovskite oxides by metathesis reactions. Chem. Phys, 9, 6237-6241
21. Schaak R.E., Mallouk T.E. (2001). KLnTiO4
(Ln=La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy): A New Series of Ruddlesden–Popper Phases Synthesized by Ion-Exchange of HLnTiO4. J. Solid State Chem, 161(2), 225-232
22. Zhu W.J., Feng H.H., Hor P.H. (1996). Synthesis and characterization of layered titanium oxides NaRTiO4 (R = La, Nd and Gd). Mater. Res, 31(1), 107-111
23. Toda M., Watanabe K., Sato J. (1996). Crystal structure determination of ion-exchangeable layered perovskite compounds, K2La2Ti3O10 and Li2La2Ti3O10. Mater. Res., 31(11), 1427-1435
24. Richard M., Brohan L., Tournoux M. (1993). Synthesis, characterization, and acid exchange of the layered perovskites A2Nd2Ti3O10 (A = Na, K). J. Solid State Chem., 112, 345-354
25. Gopalakrishnan J., Bhat V. (1987). A2Ln2Ti3O10
(A = potassium or rubidium; Ln = lanthanum or rare earth): a new series of layered perovskites exhibiting ion exchange. Inorg. Chem., 26, 4299-4301
26. Utkina T., Chislov M., Silyukov O., Burovikhina A., Zvereva I. (2016). TG and DSCinvestigation of water intercalation and protonation processes in perovskite-like layered structure of titanate К2Nd2Ti3O10. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry, 125, 281-287
27. Kozlov D.V., Selishchev D.S., Kolinko P.A.,
Kozlov E.A. Patent RF 2478413. Composite photocatalyst for water and air purification. Moskov
28. Kato M., Kajita T., Hanakago R. et al. (2006). Search for new superconductors by the Liintercalation into layered perovskites. Phys. C Supercond, 445, 26-30
29. Thangadurai V., Subbanna G.N. & Gopalakrishnan J. (1998). Ln2Ti2O7 (Ln = La, Nd, Sm, Gd): a novel series of defective Ruddlesden-Popper phases formed by topotactic dehydration of HLnTiO4. J. Chem. Commun., 7, 1299-1300
30. Ranmohotti K.G.S., Josepha E., Choi J. et al. (2011). Topochemical manipulation of perovskites: low-temperature reaction strategies for directing structure and properties. Adv. Mater, 23(4), 442-460
31. Dryuchko O.G., Storozhenko D.O., Bunyakina N.V., Korobko B.O., Ivanytska I.O., Pashchenko A.M. (2016). Peculiarities of transformations in REE-containing systems of nitrate precursors in preparatory processes of perovskite-like oxide materials formation. Bulletin of the NTU «KhPI»: Chemistry, Chemical Technology and Ecology, 22(1194), 63-71
32. Rodionov I.A., Silyukov O.I., Utkina T.D., Chislov M.V., Sokolova Yu.P., Zvereva I.A. (2012). Photocatalytic properties and hydration of perovskite-type layered titanates A2Ln2Ti3O10 (A = Li, Na, K; Ln = La, Nd). Russian Journal of General Chemistry, 82(7), 1191-1196
33. Anosov,V.Ya., Ozerova M.I., Fialkov Yu.Ya. (1976). Basics of Physical and Chemical Analysis. Мoscov, Nauka
34. Goroshchenko Ya.G. (1978). Physical and Chemical Analysis of homogenous and heterogenous systems. Kiev: Naukova dumka
35. Busev A.I., Tiptsova V.G., Ivanov V.M. (1978). Management on analytical chemistry of rare elements. Moscov: Chemistry
36. Storozhenko D.O., Dryuchko O.G., Bunyakina N.V., Ivanytska I.O. (2015). Phase Formation in REE-Containing Water-Salt Systems at the Preparatory Stages of the Multicomponent Oxide Functional Materials Formation. Innovations in Corrosion and Materials Science, 5(2), 80-84
37. Vigdorchik А.G., Malinovskiy Yu.A., Dryuchko A.G. et al. (1992). Low-temperature X-ray structure analysis of potassium-neodymium nitrates K3[Nd2(NO3)9] and K2[Nd(NO3)5(H2O)2]. Crystallography, 37(4), 882-888
38. Eriksson B., Larrson L.O., Niinisto L. et al. (1980). Crystal and molecular structure of potassium diaquapentanitratolanthanate (III). Acta Chem. Scand, 34(8), 567-572
39. Schaak R.E., Mallouk T.E. (2002). Perovskites by Design: A Toolbox of Solid-State Reactions. Chemistry of Materials, 14(4), 1455-1471
40. Mendoza E., Padmasree K.P., Montemayor S.M. et al. (2012). Molten salts synthesis and electrical properties of Sr- and/or Mg-doped perovskite-type LaAlO3 powders. Journal of Materials Science, 47, 6076-6085