Силикаты редкоземельных элементов со структурой апатита

Scientific adviser: Ignatov A.V.

Lecturer in Chemistry, PhD in Chemistry, Associate Professor of the Department of Inorganic Chemistry, Donetsk State University

Donetsk

SILICATES OF RARE-EARTH ELEMENTS WITH APATITIS STRUCTURE

В последние годы интерес исследователей к проблеме изоморфных замещений в кристаллах усилился ввиду использования современных неорганических материалов (люминофоров, лазерных материалов, твердых электролитов и т.д.) в виде твердых растворов, что позволяет влиять на их свойства. А также экспериментальные исследования изоморфных замещений и свойств твердых растворов не только открывают новые пути для получения необходимых для практики материалов, но и способствуют дальнейшему развитию теории изоморфизма. Ведь теория изоморфной смесимости в настоящее время не дает возможности прогнозировать влияние замещений на свойства и определять границы замещений.

В свою очередь, необходимость исследований соединений со структурой апатита обусловлена несколькими причинами, а именно: наличием комплекса практически важных свойств, а также способностью к широкому кругу изовалентных и гетеровалентных замещений, вследствие чего возможно их применение в качестве биоактивных материалов в медицине, твердых электролитов, люминофоров, сенсоров, катализаторов, сорбентов для связывания тяжелых и радиоактивных металлов в почве и др. Из чего следует, что благодаря своим исключительным свойствам, силикаты редкоземельных элементов (РЗЭ) также находят практическое применение в различных областях. Однако синтез и спекание силикатов РЗЭ требует сравнительно высоких температур (порядка 1300-1750°С) в отличие двойных силикатов натрия и РЗЭ со структурой апатита. Их синтез и спекание возможны при значительно меньших температурах (~1100°С), а их практического применение возможно в качестве материалов для люминофоров, лазеров, светодиодов, сенсоров углекислого газа.

Таким образом была определена цель данной работы , которая заключалась в экспериментальном синтезе и исследовании двойных силикатов натрия и РЗЭ со структурой апатита.

Касаемо методов синтеза двойных силикатов натрия и РЗЭ со структурой апатита, то ранее был известен метод получение силикатов NaLn9(SiO4)6O2 (где Ln – редкоземельный элемент) последовательным отжигом смеси оксида РЗЭ, оксида кремния и карбоната натрия при 900 и 1100°С в течение 24 часов. Установлено, что при температурах 1150°С и выше происходит сублимация оксида натрия, и образуется силикат РЗЭ также со структурой апатита, который не содержит щелочного металла. Известен также твердофазный метод синтеза германата подобного состава со структурой апатита и механохимический метод синтеза двойных силикатов натрия, в котором используются смеси SiO2 и NaCl, а также гидротермальный синтез.

Однако приведенные выше методы синтеза имеют существенные недостатки, связанные с соблюдением заданного состава. Кроме того, механохимический и гидротермальный методы требуют использования специального импортного оборудования.

В нашем случае был выбран золь-гель метод синтеза. В качестве исходных веществ использовались карбонат натрия Nа2СО3 квалификации «осч», тетраэтоксисилан (ТЭОС) Si(OC2H5)4 - «чда», оксид европия Eu2O3-Ев-ИС5-17.

Золь-гель методом был получен силикат натрия-европия состава NaEu9(SiO4)6O2 со структурой апатита. Содержание элементов, определенное с помощью рентгеновского энергодисперсионного спектрометра, в полученном апатите удовлетворительно согласовалось с расчетными данными (погрешность анализа до 1%).

Было установлено, что атомы европия занимают все места в семивершинниках (позиция 6h), а девятивершинники заселены атомами европия и натрия (позиция 4f). Подобные результаты были получены ранее для силиката Eu8.18Na1.08(SiO4)6(OH)1.62-2yOy, а также германата со структурой апатита NaLa9Ge6O26, NaPr9Ge6O26 и NaNd9Ge6O26.

Для данного состава были измерены значения электропроводности при постоянном и переменном токе, а также определена энергия активации.

Исходя из приведенных данных (табл.1) можно сказать, что силикат натрия-европия NaEu9(SiO4)6O2 имеет большую электропроводность и в большинстве случаев несколько меньшую энергию активации по сравнению с силикатами лантана La9.33Si6O26 и La9.67Si6O26.5 а также с некоторыми силикатами лантана, допированными магнием и щелочноземельными элементами La9Mg0.5Si6O26, La8.67SrSi6O26, La8.67CaSi6O26.

Табл.1. Электропроводность при постоянном и переменном токе и энергия активации образцов.

В результате был синтезирован при помощи золь-гель метода силикат натрия-европия состава NaEu9(SiO4)6O2 со структурой апатита и проведено исследование электропроводности данного состава, которая не уступает некоторым силикатам лантана, не содержащим натрий.