Synthesis, Thermodynamic Properties, and Ionic Conductivity of Compounds Based on Bismuth Niobates Doped by Rare-Earth Elements (A Review)

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Synthesis methods, thermodynamic and functional properties of compounds based on bismuth niobates doped with rare-earth elements (REEs) are presented. These compounds are promising materials for fuel cells, ceramic oxygen generators, electrocatalysis, etc. As show the data generalized, most compounds have a cubic structure of the δ-form of bismuth oxide, which has the highest ionic conductivity among solid-state ionic conductors. The compounds have high lattice enthalpy and are therefore promising high-energy compounds. The review summarizes studies on the basic thermodynamic characteristics of bismuth niobates doped with rare earth elements. The change in standard enthalpies of formation, lattice enthalpies, and heat capacity when replacing one rare earth element with another is analyzed. It is shown that as the radius of rare earth elements decreases, the standard enthalpies of formation increases and lattice enthalpies increases. The change in ionic conductivity with changes in temperature and rare earth element content has been studied. It has been shown that with increasing temperature and REE content, conductivity increases.

About the authors

N. I. Matskevich

Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nata.matskevich@yandex.ru
630090, Novosibirsk, Russia

A. N. Semerikova

Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nata.matskevich@yandex.ru
630090, Novosibirsk, Russia

D. A. Samoshkin

Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nata.matskevich@yandex.ru
630090, Novosibirsk, Russia; 630090, Novosibirsk, Russia

S. V. Stankus

Kutateladze Institute of Thermophysics, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nata.matskevich@yandex.ru
630090, Novosibirsk, Russia

V. P. Zaitsev

Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences; Siberian State University of Water Transport

Email: nata.matskevich@yandex.ru
630090, Novosibirsk, Russia; 630099, Novosibirsk, Russia

V. A. Kuznetsov

Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Email: nata.matskevich@yandex.ru
630090, Novosibirsk, Russia

A. Yu. Novikov

Nikolaev Institute of Inorganic Chemistry, Siberian Branch, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: nata.matskevich@yandex.ru
630090, Novosibirsk, Russia

References

  1. Punn R., Feteira A.M., Sinclair D.C. et al. // J. Am. Chem. Soc. 2006. V. 128. P. 15386. https://doi.org/10.1021/ja065961d
  2. Ivanov S.A., Stash A.I., Bush A.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 588. https://doi.org/10.1134/S0036023622050096
  3. Matskevich N.I., Wolf T., Greaves C. et al. // J. Alloys Compd. 2014. V. 582. P. 253. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.07.135
  4. Emhjellen L.K., Xing W., Li Z. et al. // J. Membr. Sci. 2022. V. 660. P. 120875. https://doi.org/10.1016/j.memsci.2022.120875
  5. Ershov D.S., Besprozvannykh N.V., Sinel’shchikova O.Y. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 105. https://doi.org/10.1134/S003602362201003X
  6. Drache M., Roussel P., Wignacourt J.P. // Chem. Rev. 2007. V. 107. P. 80. https://doi.org/10.1021/cr050977s
  7. Balci M., Saatci B., Cerit S. et al. // Solid State Ionics. 2022. V. 387. P. 116060. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2022.116060
  8. Proskurina O.V., Sokolova A.N., Sirotkin A.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2021. V. 66. P. 163. https://doi.org/10.1134/S0036023621020157
  9. Bandyopadhyay S., Dutta A. // J. Phys. Chem. Solids. 2017. V. 102. P. 12. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2016.11.001
  10. Lomakin M.S., Proskurina O.V., Levin A.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 820. https://doi.org/10.1134/S0036023622060134
  11. Weber M., Rodriguez R.D., Zahn D.R. et al. // Inorg. Chem. 2022. V. 61. P. 1571. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.1c03330
  12. Akazawa H. // Ceram. Int. 2023. V. 49. P. 9069. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.11.064
  13. Matskevich N.I., Wolf Th., Greaves C. et al. // J. Chem. Thermodyn. 2015. V. 91. P. 234. https://doi.org/10.1016/j.jct.2015.07.036
  14. Weber M., Schlesinger M., Mehring M. // Cryst. Growth Des. 2016. V. 16. P. 5678. https://doi.org/10.1021/acs.cgd.6b00628
  15. Crumpton T.E., Mosselmans J.F.W., Greaves C. // J. Mater. Chem. 2005. V. 15. P. 164. https://doi.org/10.1039/b412108m
  16. Kekade S.S., Gaikwad P.V., Raut S.A. et al. // ACS Omega. 2018. V. 3. P. 5853. https://doi.org/10.1021/acsomega.8b00564
  17. Kaimieva O.S., Sabirova I.E., Buyanova E.S. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 1348. https://doi.org/10.1134/S0036023622090054
  18. Wang X.P., Corbel G., Kodjikian S. et al. // J. Solid State Chem. 2006. V. 179. P. 3338. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2006.06.031
  19. Ai Zh., Ho W., Lee Sh. // Appl. Surf. Sci. 2012. V. 263. P. 266. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.09.041
  20. Keve E.T., Skapski A.C. // J. Solid State Chem. 1973. V. 8. P. 139. https://doi.org/10.1016/0022-4596(73)90009-1
  21. Lisinska-Czekaj A., Czekaj D. // Key Eng. Mater. 2012 V. 512–515. P. 1212. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.512-515.1212
  22. Lisinska-Czekaj A., Czekaj D., Plewa J. // Ciencia&Tecnol. Mater. 2017. V. 29. P. e215. https://doi.org/10.1016/j.ctmat.2016.03.003
  23. Wang N., Li W., Zhao M. et al. // J. Chin. Ceram. Soc. 2003. V. 31. P. 625.
  24. Hampl M., Leither J., Ruzicka K. et al. // J. Therm. Anal. Calorim. 2007. V. 87. P. 553. https://doi.org/10.1007/s10973-006-7732-x
  25. Hou J., Vaish R., Qu Y. et al. // J. Power Sources. 2010. V. 195. P. 2613. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.11.081
  26. Holdynski M., Sintyureva M., Liu X. et al. // J. Phys.: Condens. Matter. 2012. V. 24. P. 045904. http://dx.doi.org/0953-8984/12/045904C07
  27. Abrahams I., Kozanecka-Szmigiel A., Krok F. et al. // Solid State Ionics. 2006. V. 177. P. 1761. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2006.01.036
  28. Abrahams I., Krok F., Kozanecka-Szmigiel A. et al. // J. Power Sources. 2007. V. 173. P. 788. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2007.05.045
  29. Liu X., Abrahams I., Hull S. et al. // Solid State Ionics. 2011. V. 192. P. 176. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2010.07.018
  30. Malys M., Holdynski M., Krok F. et al. // J. Power Sources. 2009. V. 194. P. 16. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2009.01.001
  31. Krok F., Abrahams I., Holdynski M. et al. // Solid State Ionics. 2008. V. 179. P. 975. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2008.02.015
  32. Leszczynska M., Liu X., Wrobel W. et al. // J. Mater. Chem. A. 2014. V. 2. P. 18624. https://doi.org/10.1039/c4ta03225j
  33. Leszczynska M., Holdynski M., Krok F. et al. // Solid State Ionics. 2010. V. 181. P. 796. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2010.04.012
  34. Buyanova E.S., Kaimieva O.S., Shatokhina A.N. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2016. V. 61. P. 470. https://doi.org/10.1134/S0036023616040069
  35. Buyanova E.S., Petrova S.A., Mikhailovskaya Z.A. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2015. V. 60. P. 913. https://doi.org/10.1134/S0036023615080045
  36. Emel’yanova Yu.V., Mikhailovskaya Z.A., Buyanova E.S. et al. // Russ. J. Appl. Chem. 2017. V. 90. P. 354. https://doi.org/10.1134/S1070427217030053
  37. Emel’yanova Yu.V., Krylov A.A., Kazantseva A.D. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2019. V. 64. P. 151. https://doi.org/10.1134/S0036023619020050
  38. Kaymieva O.S., Tarasova O.A., Shatokhina A.N. et al. // Russ. J. Electrochem. 2013. V. 49. P. 652. https://doi.org/10.1134/S1023193513070057
  39. Matskevich N.I., Semerikova A.N., Gelfond N.V. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2020. V. 65. P. 743. https://doi.org/10.1134/S0036023620050162
  40. Matskevich N.I., Shlegel V.N., Stankus S.V. et al. // Mater. Today: Proceed. 2020. V. 25. P. 367. https://doi.org/10.1016/j.matpr.2019.12.092
  41. Matskevich N.I., Semerikova A.N., Zaitsev V.P. et al. // J. Solid State Chem. 2022. V. 316. P. 123584. https://doi.org/10.1016/j.jssc.2022.123584
  42. Matskevich N.I., Semerikova A.N., Gelfond N.V. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2023. V. 68. P. 229. https://doi.org/10.31857/S0044457X2260150X
  43. Matskevich N.I., Stankus S.V., Samoshkin D.A. et al. // J. Phys.: Conf. Ser. 2020. V. 1677. P. 012169. https://doi.org/10.1088/1742-6596/1677/1/012169
  44. Hughes J.T., Navrotsky A. // J. Am. Chem. Soc. 2011. V. 133. P. 9184. https://doi.org/dx.doi.org/10.1021/ja202132h
  45. Novikov A.A., Belova E.V., Uspenskaya I.A. // J. Chem. Eng. Data. 2019. V. 64. P. 4230. https://doi.org/10.1021/acs.jced.9b00292
  46. Tsvetkov D.S., Mazurin M.O., Malyshkin D.A. et al. // J. Chem. Thermodyn. 2022. V. 174. P. 106857. https://doi.org/10.1016/j.jct.2022.106857
  47. Bannikov D.O., Safronov A.P., Cherepanov V.A. // Thermochim. Acta. 2006. V. 451. P. 22. https://doi.org/10.1016/j.tca.2006.08.004
  48. Matskevich N.I., Wolf Th., Pochivalov Yu.I. // Inorg. Chem. 2008. V. 47. P. 2581. https://doi.org/10.1021/ic701875h
  49. Voskanyan A.A., Jayanthi K., Navrotsky A. // Chem. Mater. 2022. V. 34. P. 10311. https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.2c01569
  50. Sereda V.V., Tsvetkov D.S., Sednev A.L. et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2018. V. 20. P. 20108. https://doi.org/10.1039/C8CP03782E
  51. Gagarin P.G., Gus’kov A.V., Gavrichev K.S. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 1803. https://doi.org/10.1134/S0036023622601015
  52. Gagarin P.G., Guskov A.V., Guskov V.N. et al. // Russ. J. Inorg. Chem. 2022. V. 67. P. 2181. https://doi.org/10.1134/s0036023622602070
  53. Khorishilov A.V., Guskov V.N., Guskov A.V. et al. // Russ. J. Phys. Chem. A. 2022. V. 96. P. 918. https://doi.org/10.1134/s0036024422050144
  54. Jayanthi K., Neilsen G., Navrotsky A. et al. // J. Phys. Chem. C. 2023. V. 127. P. 3760. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.2c08217
  55. Glushko V.P. Termicheskie Konstanty Veshchestv (Thermal Constants of Substances), VINITI, Moscow. 1965–1982. Iss. 1–10.
  56. Leitner J., Nevrina M., Sedmidubsky D. et al. // J. Alloys Compd. 2011. V. 509. P. 4940. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.02.007
  57. Matskevich N.I., Wolf Th., Vyazovkin I.V. et al. // J. Alloys Compd. 2015. V. 628. P. 126. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2014.11.220
  58. Matskevich N.I., Matskevich M.Yu., Wolf Th. et al. // J. Alloys Compd. 2013. V. 577. P. 148. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2013.04.194
  59. Matskevich N.I., Bryzgalova A.N., Wolf Th. et al. // J. Chem. Thermodyn. 2012. V. 53. P. 23. https://doi.org/10.1016/j.jct.2012.04.003
  60. Kilday M.V. // J. Res. Nat. Bur. Stand. 1980. V. 85. P. 467.
  61. Gunther C., Pfestorf R., Rother M. et al. // J. Therm. Anal. Calorim. 1988. V. 33. P. 359. https://doi.org/10.1007/BF01914624
  62. Cordfunke E.H.P., Konings R.J.M. // Thermochim. Acta. 2001. V. 375. P. 65. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(01)00510-X
  63. Hennig C., Oppermann H. // Z. Naturforsch. B. 1997.V. 52. P. 1517. https://doi.org/10.1515/znb-1997-1213
  64. Cordfunke E.H.P., Konings R.J.M. // Thermochim. Acta. 2001. V. 375. P. 17. https://doi.org/10.1016/S0040-6031(01)00509-3
  65. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Самошкин Д.А. et al. // XXXVI Сиб. Теплофиз. Семинар. Новосибирск, 2020. С. 265.
  66. Hervoches C.H., Greaves C. // J. Mater. Chem. 2010. V. 20. P. 6759. https://doi.org/10.1039/c0jm01385d
  67. Hervoches C.H., Greaves C. // Solid State Ionics. 2014. V. 254. P. 032. https://doi.org/10.1016/j.ssi.2013.10.032
  68. Punn R., Gameson I., Berry F. et al. // Phys. Chem. Solids. 2008. V. 69. P. 2687. https://doi.org/10.1016/j.jpcs.2008.07.003
  69. Glasser L., Jenkins H.D.B. // Chem. Soc. Rev. 2005. V. 34. P. 866. https://doi.org/10.1039/b501741f
  70. Glasser L. // Inorg. Chem. 2010. V. 49. P. 3424. https://doi.org/10.1021/ic902475n
  71. Glasser L., Jenkins H.D.B. // Inorg. Chem. 2011. V. 50. P. 8565. https://doi.org/10.1021/ic201093p
  72. Matskevich N.I., Wolf Th., Matskevich M.Yu. // J. Chem. Thermodyn. 2018. V. 118. P. 188. https://doi.org/10.1016/j.jct.2017.11.010
  73. Matskevich N.I., Shlegel V.N., Sednev A.L. et al. // J. Chem. Thermodyn. 2020. V. 143. P. 106059. https://doi.org/10.1016/j.jct.2020.106059
  74. Matskevich N.I., Semerikova A.N., Shlegel V.N. et al. // J. Alloys Compd. 2021. V. 850. P. 156683. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.156683
  75. Shannon R.D. // Acta Crystallogr. 1976. V. A32. P. 751. https://doi.org/10.1107/S0567739476001551
  76. Matskevich N.I., Wolf Th., Semerikova A.N. et al. // J. Chem. Thermodyn. 2019. V. 135. P. 143. https://doi.org/10.1016/j.jct.2019.03.034
  77. Koto K., Shulz H., Huggins R.A. // Solid State Ionics. 1980. V. 1. P. 355. https://doi.org/10.1016/0167-2738(80)90034-X

Copyright (c) 2023 Н.И. Мацкевич, А.Н. Семерикова, Д.А. Самошкин, С.В. Станкус, В.П. Зайцев, В.А. Кузнецов, А.Ю. Новиков

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».