Синтез и термодинамические свойства германата Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂
- Authors: Денисова Л.Т.1, Чумилина Л.Г.1, Каргин Ю.Ф.2, Васильев Г.В.1, Белецкий В.В.1, Денисов В.M.1
-
Affiliations:
- Сибирский федеральный университет
- Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
- Issue: Vol 60, No 2 (2024)
- Pages: 141–146
- Section: Articles
- URL: https://journals.rcsi.science/0002-337X/article/view/274459
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0002337X24020012
- EDN: https://elibrary.ru/LJDILT
- ID: 274459
Cite item
Full Text
Abstract
Германат кальция-скандия Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ синтезирован методом твердофазных реакций обжигом на воздухе стехиометрической смеси исходных оксидов CaO, Sc₂O₃ и GeO₂ при температурах 1273–1623 K. С использованием данных рентгенофазового анализа однофазных образцов уточнен параметр элементарной ячейки (a = 12.508(48) Å, V = 1956.92(2) ų, пр. гр. Ia-3d) кристаллов Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ со структурой граната. Методом дифференциальной сканирующей калориметрии измерена теплоемкость поликристаллических образцов в области 320–1050 K. По этим данным рассчитаны термодинамические функции германата кальция-скандия.
Full Text
ВВЕДЕНИЕ
Интерес исследователей и практиков к соединениям с общей формулой Ca₃R₂Ge₃O₁₂ (R = РЗЭ) обусловлен возможностями их практического применения. В зависимости от РЗЭ эти соединения имеют разные структуры: силикокарнотитовая (R = Pr–Dy) и гранатовая (R = Er–Lu) [1]. Последние являются перспективными ионными проводниками и СВЧ-диэлектриками, матрицами для люминофоров [2–4]. Эти люминофоры нашли применение в лазерной технике, в медицине, используются для создания плазменных дисплеев и светодиодов [5–8].
К таким соединениям относится и германат Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂, который к настоящему времени наименее исследован. Диаграмма состояния системы CaO–Sc₂O₃–GeO₂ не построена. В граничащих бинарных системах отмечено наличие следующих соединений: CaO–Sc₂O₃ – CaSc₂O4 [9–11]; CaO–GeO₂ – CaGe₂O₅, Ca₂GeO₄, Ca₃GeO₅ [12], Ca₂GeO₄ [13–15], Ca₂Ge₇O₁₆ [16]; Sc₂O₃–GeO₂– Sc₄GeO₈, Sc₂Ge₂O₇ [17, 18]. Для термодинамического моделирования фазовых равновесий в тройной системе CaO–Sc₂O₃–GeO₂ необходимы надежные данные по термодинамическим свойствам всех образующихся соединений. Температурные зависимости теплоемкости получены только для CaSc2O4 [10] и Ca₂GeO₄ [13, 14].
Цель работы – синтез германата Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ и исследование его высокотемпературной теплоемкости.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
Германат Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ синтезировали твердофазным методом из CaO «ос.ч.», Sc₂O₃ – 99.99%, GeO₂ – 99.999%. Исходные реагенты предварительно прокаливали при температуре 773 K. Стехиометрическую смесь перетирали в агатовой ступке. Затем образцы прессовали в таблетки без связующего на гидравлическом прессе ПЛГ-20. Далее их обжигали на воздухе в муфельной печи SNOL ЭКПС-10/1300 при температуре 1273 K в течение 10 ч, после чего перетирали и снова прессовали. Дальнейший обжиг проводили в высокотемпературной печи ML10/1800C при температурах 1373, 1473 и 1623 K по 10 ч. Для интенсификации твердофазной реакции после каждого цикла отжига таблетки снова перетирали и прессовали.
Контроль фазового состава полученных образцов проводили с использованием рентгенофазового анализа при помощи дифрактометра Bruker D8 с линейным детектором VANTEC–1 в CuKα-излучении в диапазоне углов 8°–90° с шагом 0.014°. Уточнение проводили методом Ритвельда в программе TOPAS 3. Установлено, что при синтезе Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ по описанной методике в образцах содержится 1.18% примесей в виде непрореагировавших исходных оксидов. По этой причине проведен дополнительный обжиг при температуре 1623 K в течение 10 ч. В результате получили однофазный образец ортогерманата Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂.
Высокотемпературную теплоемкость Cp синтезированного германата кальция-скандия измеряли с использованием термоанализатора STA 449 C Jupiter (NETZSCH, Германия) по стандартной методике, которая описана нами ранее [19]. Ошибка экспериментов не превышала 2%.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
Германат Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ относится к структурному типу граната (пр. гр. Ia-3d) и по данным проведенного РФА имел следующие параметры элементарной ячейки: a = 12.508(48) Å, V = 1956.92(2) ų. Полученные нами значения удовлетворительно согласуются с имеющимися в литературе. В частности, по данным [20] a = 12.512(2) Å, V = 1958.755 ų, а в работе [3] в зависимости от температуры обжига получены следующие значения: a = 12.51112 Å, V = 1958.342 ų при 1598 K; a = 12.51019 Å, V = 1957.906 ų при 1623 K; a = 12.50953 Å, V = 1957.591 ų при 1648 K; a = 12.51029 Å, V = 1957.950 ų при 1673 К.
На рис. 1 показано влияние температуры (320–1050 K) на молярную теплоемкость Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ Полученные данные могут быть описаны уравнением Майера–Келли [21]
(1)
которое для исследованного германата имеет следующий вид:
Cp = (479.20 ± 0.88) + (14.67±0.90) × 10-3T - (96.99±0.88) × 105T2 (2)
Для уравнения (2) коэффициент корреляции равен 0.9991, а максимальное отклонение экспериментальных точек от сглаживающей кривой составляет 1.02%.
Какие-либо данные по теплоемкости Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ в литературе отсутствуют и сравнить полученные нами значения молярной теплоемкости с данными других авторов не представлялось возможным. Поэтому для сравнения с экспериментальными значениями теплоемкости германата кальция-скандия был проведен расчет Cp этого соединения методом Неймана–Коппа (НК) [22, 23]. Эти результаты показаны на рис. 1.
Рис.1. Температурные зависимости теплоемкости Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂: 1 – наши данные, 2 – расчет методом НК, 3 – расчет по уравнению (3), сплошная линия – аппроксимирующая кривая.
Видно, что при низких температурах экспериментальные и рассчитанные значения теплоемкости совпадают. При T > 500 K рассчитанные значения Cp превышают экспериментальные данные и это различие увеличивается с ростом температуры.
Необходимые для расчетов данные по температурным зависимостям теплоемкости исходных оксидов брали из литературы: CaO [24, 25], Sc₂O₃ [26] и GeO₂ [27].
Сравнение значений теплоемкости Cp при 298 K (уравнение (2)) с рассчитанными величинами методом НК [22, 23], инкремнтным методом
Таблица 1. Сравнение данных по теплоемкости Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ (уравнение (2) с рассчитанными величинами при 298 K (Дж/(моль K))
Эксперимент | НК | ИМК | ГВ |
374.40 | 377.05 (0.71) | 393.70 (5.15) | 378.56 (1.11) |
Примечание. В скобках приведены отклонения,%.
Кумока (ИМК) [28] и групповых вкладов (ГВ) [29] показано в табл. 1. Из представленных данных следует, что методы НК и ГВ дают хорошее согласие с экспериментом для теплоемкости Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂.
Следует отметить, что метод ГВ, в основе которого лежит уравнение
, (3)
позволяет прогнозировать не только значение теплоемкости при 298 K, но и ее температурную зависимость. Значения теплоемкости Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ в зависимости от температуры, рассчитанные по уравнению (3) с использованием табличных значений для Ca, Sc, Ge и кислорода [29], показаны на рис. 1.
Таблица 2. Термодинамические свойства Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂
T, K | Cp, Дж/(моль K) | H°(T) – H°(320 K), кДж/моль | S°(T) – S°(320 K), Дж/(моль K) | – ΔG/T *, Дж/(моль K) |
320 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 1050 | 389.2 405.2 424.5 437.9 447.8 455.2 461.1 465.8 469.7 473.1 475.8 478.3 480.4 482.4 484.2 485.8 | - 11.9 32.70 54.28 76.43 99.02 121.9 145.1 168.5 192.1 215.8 239.6 263.6 287.7 311.8 336.1 | - 35.6 91.06 141.9 188.6 231.6 271.5 308.6 343.2 375.8 406.4 435.3 462.7 488.7 513.5 537.2 | - 1.54 9.31 21.26 35.69 51.57 68.25 85.33 102.5 119.7 136.6 153.4 169.8 185.9 201.7 217.1 |
*.
Видно, что в этом случае различие с экспериментальными данными гораздо больше, чем с рассчитанными методом НК. Достоинством метода ГВ является отсутствие необходимости иметь дополнительные сведения о свойствах анализируемого соединения. В то же время, как отмечено самими авторами метода ГВ [29], так и в выполненном специальном анализе применимости метода для предсказания температурной зависимости теплоемкости твердых тел [30], если для Cp,298 наблюдается удовлетворительное согласие с экспериментальными величинами, то для Cp = f(T) могут наблюдаться существенные различия с опытными данными. Поэтому метод ГВ нельзя считать универсальным. Это подтверждают и наши результаты.
Сведений о стандартных энтальпии ΔfH˚₂₉₈ и энергии Гиббса ΔfG˚₂₉₈ образования германата Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ в литературе нет. Эти величины мы рассчитали методом ГВ [31], и они равны –5666.9 ± 50.5 кДж/моль и –5248.3.9 ± 65.2 кДж/моль соответственно.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Германат со структурой граната Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ синтезирован обжигом на воздухе в интервале 1273–1623 K стехиометрических смесей CaO, Sc₂O₃ и GeO₂. Рентгенографически уточнены параметр и объем его элементарной ячейки (пр. гр. Ia-3d, a = 12.508(12) Å, V = 1956.8743(55) ų). В области температур 320–1050 K измерена теплоемкость синтезированных однофазных образцов германата кальция-скандия. По экспериментальной зависимости Cp = f(T) рассчитаны термодинамические функции Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂.
ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ
Работа выполнена при частичной финансовой поддержке в рамках государственного задания на науку ФГАОУ ВО «Сибирский федеральный университет», номер проекта FSRZ-2020-0013.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют, что у них нет конфликта интересов.
About the authors
Л. Т. Денисова
Сибирский федеральный университет
Author for correspondence.
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041
Л. Г. Чумилина
Сибирский федеральный университет
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041
Ю. Ф. Каргин
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, Ленинский пр., 49, Москва, 119991
Г. В. Васильев
Сибирский федеральный университет
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041
В. В. Белецкий
Сибирский федеральный университет
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041
В. M. Денисов
Сибирский федеральный университет
Email: ldenisova@sfu-kras.ru
Russian Federation, пр. Свободный, 79, Красноярск, 660041
References
- Piccinellia F., Lausib A., Bettinellia M. Structural Investigation of the New Ca₃LN₂Ge₂O₁₂ (Ln = Pr, Nd, Sm, Gd and Dy) Compounds and Luminescence Spectroscopy of Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ Doped with the Eu⁺³ Ion // J. Solid State Chem. 2013. V. 205. P. 190-196. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2013.07.021
- Lee J., Ohba N., Asahi R. Design Rules for High Oxygen-Ion Conductivity in Garnet-Type Oxides // Chem. Mater. 2020. V. 32. P. 1358–1370. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.9b02044
- He Y., Wei X., Wu Y., Chen X., Yang J., Zhou H. Effects of Packing Fraction, Lattice Vibration, and Bond Valence on the Microwave Dielectric Properties of low-εᵣ Garnet-Type Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ Ceramics // J. Solid State Chem. 2023. V. 322. P. 123980(1-8). https://doi.org/10.1016/j.jssc. 2023.123980
- Tang Y., Zhang Z., Li J., Xu M., Zhai Y., Duan L., Su C., Liu L., Sun Y., Fang L. A3Y2Ge3O12 (A = Ca, Mg): Two Novel Microwave Dielectric Ceramics with Contrasting τf and Q // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 4. P. 1–20. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.04.052
- Baklanova Y.V., Enyashin A.N., Maksimova L.G., Tyutyunik A.P., Chufarov A.Yu., Gorbatov E.V., Baklanova I.V., Zubkov V.G. Sensitized IR Luminescence in Ca₃Y₂Ge₃O₁₂: Nd³⁺, Ho³⁺ under 808 nm Laser Excitation // Ceram. Int. 2018. V. 44. P. 6959–6967. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.01.128
- Cui J., Zheng Y., Wang Zh., Cao L., Wang Z., Li P. Improving the Luminescence Thermal Stability of Ca₃Y₂Ge₃O₁₂: Cr³⁺ Based on Cation Substitution and its Application in NIR LEDs // Mater. Adv. 2022. V. 3. P. 2772-2778. https://doi.org/10.1039/02MA00009A
- Ji Ch., Huang Zh., Tian X., Tian X., Zhang L., He H., Wen J., Peng Y. Sm³⁺/Pr³⁺ Biactivated Ca₃Y₂Ge₃O₁₂: 0.04 Sm³⁺: Pr³⁺ Red Phosphor with High Thermal Stability for Low Correlated Temperature WLED // J. Lumin. 2021. V. 232. P. 117775(1-8). https://doi.org/10.1016/ j.jlumin.2020.11775
- Rammohan A.A. Review on Effect of Thermal Factors on Performance of High Power Light Emitting Diode (HPLED) // J. Eng. Sci. Technol. Rev. 2016. V. 9. P. 165-179. https://doi.org/10.25103/jestr.094.24
- Müller-Buschbaum H., Schnering H.G. Über Oxoscandate. I. Zur Kenntnis des Ca₂GeO₄ // Z. Anorg. Allg. Chem. 1965. B. 336. № 5. S. 295–305. https://doi.org/10.1002/zaac. 19653360510
- Klimm D., Philippen J., Markurt T., Kwasniewski A. Ce⁴⁺: CaSc₄O₄ Crystal Fibers for Green Light Emission: Growth Issues and Characterization // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. 2014. V. 11. P. 21(1–5). https://doi.org/10.1557/opl.2014.365
- Chen X., Wang F., Zhi W., Liu W., Wang X., Tian Y., Xu B., Yang B. Phase Equilibria of the CaO-SiO₂-Sc₂O₃ Ternary System // J. Phase Equilib. Diffus. 2023. V. 44. P. 102-114. https://doi.org/10.1007/s11669-022-01022-y
- Диаграммы состояния систем тугоплавких оксидов. Справочник. Вып. 5. Ч. 1 / Под ред. Галахова Ф.Я. Л.: Наука, 1985. 284 с.
- Fiquet G., Gillet P., Richet P. Anharmonicity and High-Temperature Heat Capacity of Crystals: the Examples of Ca₂GeO₄, Mg₂GeO₄ and CaMgGeO₄ Olivines // Phys. Chem. Mater. 1992. V. 18. P. 469–479. https://doi.org/10.1007/BF00200970
- Shushunov A.N., Gorshkov O.N., Smirnova N.N., Somov N.V., Chirshkov Yu.I., Bykov A.B. Thermophysical Properties of Ca₂GeO₄ over the Temperature Range between (6 and 350 K) // J. Chem. Thermodyn. 2014. V. 78. P. 58–68. https://doi.org/10.1016/j.jct.2014.06.019
- Koseva I., Nikolov V., Petrova N., Tzvetkov P., Marychev M. Thermal Behavior of Germinates with Olivine Structure // Thermochim. Acta. 2016. V. 646. P. 1–7. https://doi.org/10.1016/j.tca.2016.11.004
- Li W., Chen D., Shen G. Encapsulating Ca₂Ge₇O₁₆ Nanowires within Grapheme Sheets as Anode Materials for Lithium-ion Batteries // J. Mater. Chem. A. 2015. V. 3. P. 20673-20690. https://doi.org/10.1039/cSta04175a
- Торопов Н.А., Бондарь И.А., Лазарев А.Н., Смолин Ю.И. Силикаты редкоземельных элементов и их аналоги. Л.: Наука, 1971. 230 с.
- Li H., Ma S., Yu Z., Zhu H., Li N. In Situ High-Pressure X-ray Diffraction of the Two Polymorphs of Sc₂Ge₂O₇ // AIP Adv. 2020. V. 10. P. 095209(1-7). https://doi.org/10.1063/5.0021334
- Денисова Л.Т., Иртюго Л.А., Каргин Ю.Ф., Белецкий В.В., Денисов В.М. Высокотемпературная теплоемкость Tb₂SN₂O₇ // Неорган. материалы. 2017. Т. 53. № 1. С. 71-73. https://doi.org/10.7868/S0002337X17010043
- Mill B.V., Belokoneva E.I., Simonov M.A., Belov N.V. Refined Crystal Structures of the Scandium Garnets Ca₃Sc₂Si₃O₁₂, Ca₃Sc₂Ge₃O₁₂ and Cd₃Sc₂Ge₃O₁₂ // J. Struct. Chem. 1977. V. 18. P. 321-323. https://doi.org/10.1007/BF00753987
- Maier C.G., Kelley K.K. An Equation for the Representation of High Temperature Heat Content Data // J. Am. Chem. Soc. 1932. V. 54. № 8. P. 3243-3246. https://doi.org/10.1021/ja01347a029
- Leitner J., Chuchvalec P., Sedmidubský D., Strejc A., Abrman P. Estimation of Heat Capacities of Solid Mixed Oxides // Thermochim. Acta. 2003. V. 395. P. 27–46. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(02)00176-6
- Leitner J., Voňka P., Sedmidubský D., Svoboda P. Application of Neumann-Kopp Rule for the Estimation of Heat Capacity of Mixed Oxides // Thermochim. Acta. 2010. V. 497. P. 7-13. https://doi.org/10.1016/j.tca.2009.08.002
- Кубашевский О., Олкокк С.Б. Металлургическая термохимия. М.: Металлургия, 1982. 392 с.
- Третьяков Ю.Д. Твердофазные реакции. М.: Химия, 1978. 360 с.
- Zhang Y., Jung I.-H. Critical Evaluation of Thermodynamic Properties of Rare Earth Sesquioxides (RE = La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Sc and Y) // CALPHAD: Comput. Coupling Phase Diagrams Thermochem. 2017. V. 58. P. 169–203. https://doi.org/10.1016/j.calphad.2017.07.001
- Осина Е.А. Термодинамические функции молекул оксидов германия в газовой фазе: GeO₂(г), Ge₂O₂ (г) и Ge₂O₃(г) // Теплофизика высоких температур. 2017. Т. 55. № 2. С. 223-227. https://doi.org/10.7868/S0040364417020120
- Кумок В.Н. Проблема согласования методов оценки термодинамических характеристик // Прямые и обратные задачи химической термодинамики. Новосибирск: Наука, 1987. С. 108–123.
- Mostafa A.T.M.G., Eakman J.M., Montoya M.M., Yarbro S.L. Prediction of Heat Capacities of Solid Inorganic Salts from Group Contribution // Ind. Eng. Chem. Res. 1996. V. 35. № 1. P. 343-348. https://doi.org/10.1021/ie9501485
- Leitner J., Sedmidubský D., Chuchvalec P. Prediction of Heat Capacities of Solid Binary Oxides from Group Contribution Method // Ceramics-Silikáty. 2002. V. 46(1). P. 29–32.
- Mostafa A.T.M.G., Eakman J.M., Yarbro S.L. Prediction of Standard Heats and Gibbs Free Energies of Formation of Solid Inorganic Salts from Group Contributions // Ind. Eng. Chem. Res. 1995. V. 34. P. 4577–4582. https://doi.org/10.1021/IE00039A053
Supplementary files
