Thermal stability and electrophysical properties of oxide tungsten bronzes produced by electrolysis of melts

Cover Page

Cite item

Full Text

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

Abstract

Oxide tungsten bronzes (OTB) of cubic, tetragonal and hexagonal structure were electrodeposited under galvanostatic conditions. Electrolysis of polytungstate melts 0.8Na2WO4–0.2WO3, 0.25Na2WO4–0.25K2WO4–0.5WO3 and 0.1K2WO4–0.55Li2WO4–0.35WO3 was performed at a temperature of 973 K and a cathode current density of 25 mA cm–2 for 20 min. The synthesized OTB powders were studied by X-ray diffraction analysis, laser diffraction, and scanning electron microscopy coupled with energy dispersive spectroscopy. To determine the upper limit of the thermal stability range, the phase composition of OTB powders with an average particle size of 40–50 μm was studied after isothermal annealing at 373–1173 K for 2 h in an air or argon atmosphere. OTB powders with a tetragonal structure were additionally studied by synchronous thermal analysis. The electrical resistance of the samples sintered at 473 K was measured in air using direct and alternating current. It has been established that the most stable are the hexagonal OTBs isostructural to K0.3WO3, since their phase composition does not change up to 773 K during heat treatment in air and remains constant over the entire studied temperature range in an inert atmosphere. Tetragonal OTB powders isostructural to K0.475WO3 and Na0.28WO3 are stable up to 1073 K in argon and partially oxidize in air above 673 K to form OTBs with lower alkali metal content, WO3 and Na2W2O7. The phase composition of cubic OTB isostructural to Na0.74WO3, is stable up to 673 K in air and up to 873 K in argon. Conductivity studies of all samples indicate mixed ion-electron conductivity with a predominance of the electronic component. Аt 298–573 K, the specific electrical conductivity values vary within the range of 0.035–0.051, 0.012–0.030 and 0.005–0.019 (Ohm⋅cm)–1 for the OTB samples of tetragonal, cubic and hexagonal structures, respectively.

About the authors

O. L. Semerikova

Institute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the RAS

Author for correspondence.
Email: o.semerikova@ihte.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

A. V. Kosov

Institute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the RAS

Email: o.semerikova@ihte.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

O. V. Grishenkova

Institute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the RAS

Email: o.semerikova@ihte.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

M. S. Shchelkanova

Institute of High-Temperature Electrochemistry, Ural Branch of the RAS

Email: o.semerikova@ihte.ru
Russian Federation, Yekaterinburg

References

  1. Kaliev K.A., Baraboshkin A.N. Elektrokristallizatsiya oksidnykh bronz perekhodnykh metallov iz rasplavlennykh soley. In book: Oksidnyye bronzy [Electrocrystallization of oxide bronzes of transition metals from molten salts. In book: Oxide bronzes]. ed. V.I. Spitsyn. M.: Nauka, 1982. P. 137–175. [In Russian].
  2. Vakarin S.V. Oriyentirovannyy rost vol’framovykh bronz pri elektrolize rasplavov [Oriented growth of tungsten bronzes during electrolysis of melts]. Yekaterinburg: Ural Branch of the RAS, 2005. 108 p. [In Russian].
  3. Labbe Ph. Tungsten oxides, tungsten bronzes and tungsten bronze-type structures // Key Eng. Mater. 1992. 68. P. 293–339.
  4. Zheng Z., Yan B., Zhang J., You Y., Lim C. T., Shen Z., Yu T. Potassium Tungsten Bronze Nanowires: Polarized MicroRaman Scattering of Individual Nanowires and Electron Field Emission from Nanowire Films // Adv. Mater. 2008. 20. P. 352–356
  5. Vemuri R.S., Carbjal Franco G., Ferrer D.A., Engelhard M.H., Ramana C.V. Physical properties and surface/interface analysis of nanocrystalline WO3 films grown under variable oxygen gas flow rates // Appl. Surf. Sci. 2012. 259. P. 172–177
  6. Semerikova O.L., Vakarin S.V., Kosov A.V., Plaksin S.V., Pankratov A.A., Grishenkova O.V., Zaykov Yu.P., Shishmakov A.B., Mikushina Yu.V., Petrov L.А. Electrochemical Synthesis of Nanohybrid Systems Based on Copper and the Oxide Tungsten Bronzes // J. Electrochem. Soc. 2019. 166. P. D792–D797
  7. Kosov A.V., Semerikova O.L., Vakarin S.V., Pankratov A.A., Plaksin S.V., Zaykov Yu.P. Electrochemical synthesis of tetragonal oxide tungsten bronze nanofilms on platinum // Russ. Metall. 2017. 2017. P. 152–157.
  8. Kosov A.V., Semerikova O.L., Vakarin S.V., Zaykova Yu.P. Elektrokhimicheskoye povedeniye sistemy nikel'/oksidnaya vol'framovaya bronza pri tsiklicheskoy razvertke potentsiala // Rasplavy. 2019. № 4. P. 350–359.
  9. Dickens P.G., Whittingham M.S. The tungsten bronzes and related compounds // Q. Rev. Chem. Soc. 1968. 22. P. 30–44.
  10. Saito M., Kishi T., Nagai T. Electrochemical Characteristics of Semiconducting NaxWO3 // Denki Kagaku oyobi Kogyo Butsuri Kagaku. 1977. 45. P. 149–153 [In Japanese].
  11. El-Sayed A.M., Mousa S.M.A. Some properties of sodium tungsten bronzes as a function of sodium concentration // Ind. J. Chem. Technol. 2005. 12. P. 304–308.
  12. Lekshmi I.C., Hegde M.S. Synthesis and electrical properties of cubic NaxWO3 thin films across the metal–insulator transition // Mater. Res. Bull. 2005. 40. P. 1443–1450.
  13. Goodenough J.B. Metallic oxides // Progress in Solid State Chemistry. 1971. 5. P. 145–399.
  14. Tegg L., Haberfehlner G., Kothleitner G., Kisi E., Keast V.J. Crystal structures, electrical properties, and electron energy-loss spectroscopy of the sodium and potassium tetragonal tungsten bronzes // J. Alloys Compd. 2021. 868. P. 159200.
  15. Garifyanov N.N., Maramzin V.Yu., Khaliullin G.G., Garifullin I.A. Garifyanov N.N., Maramzin V.Yu., Khaliullin G.G., Garifullin I.A. Study of the electronic properties of sodium-tungsten bronzes [Study of the electronic properties of sodium-tungsten bronzes] // JETP. 1995. 107. P. 556–567. [In Russian].
  16. Chen R., Gao C., Bu K., Hao X., Wang Z., Wen L., Guo J., Chao M., Liang E., Yang L., Dong C. Charge Density Wave and Crystal Structure of KxWO3 (x = 0.20 and 0.22) Prepared by Hybrid Microwave Method // Low Temp. Phys. 2017. 188. P. 1–10.
  17. Sano K., Nitta Y., Ōno Y. Transition Temperature of Superconductivity in Sodium Tungsten Bronze - Theoretical Study Based on First-principles Calculations // J. Phys. Soc. Jpn. 2020. 89. P. 113704. https://doi.org/10.7566/JPSJ.89.113704
  18. Lawrence S., Stevenson S., Mavadia K., Sermon P. Solid-State Properties of Some Polycrystalline Alkali-Metal Tungsten Bronzes // Proc. Royal Soc. London. Ser. A: Math. Phys. Sci. 1987. 411. P. 95–121.
  19. Bukun N.G., Leonova L.S. Ionnyy obmen na granitse metall-oksidnyye bronzy/tverdyy elektrolit [Ion exchange at the metal-oxide bronze/solid electrolyte interface] // ISJAEE. 2009. № 8. P. 38–50. [In Russian].
  20. Espinosa-Angeles J.C., Quarez E., Mvele Eyé’a L.-B., Douard C., Iadecola A., Shao H., Taberna P.-L., Simon P., Crosnier O., Brousse T. Charge Storage Mechanism of LixWO3 Hexagonal Tungsten Bronze in Aqueous Electrolytes // Batteries 2023. 9. P. 136.
  21. Azimirad R., Goudarzi M., Akhavan O., Moshfegh A.Z. The effect of heating time on growth of NaxWO3 nanowhiskers // Vacuum. 2008. 82. P. 821–826.
  22. Pavlova S.S. Sintez i svoystva vysokodispersnykh poroshkov oksidnykh bronz Ti, Mo, W i materialov na ikh osnove [Synthesis and properties of highly dispersed powders of Ti, Mo, W oxide bronzes and materials based on them]. Candidate of Technical Sciences dissertation. Khanty-Mansiysk, 2019. 146 p. [In Russian].
  23. Bikberdina N.Ya., Boronenko M.P., Gulyaev P.Yu., Yunusov R.D. Elektrofizicheskiye svoystva oksidnoy bronzy NaxWO3 [Electrophysical properties of oxide bronze NaxWO3] // Bulletin of the Yugra State University. 2017. 46. № 3. P. 7–11. [In Russian].
  24. Drobasheva T.I., Rastoropov S.B. Elektrofizicheskiye svoystva poroshkov mnogoshchelochnykh oksidnykh bronz vol’frama [Electrophysical properties of powders of multialkali oxide tungsten bronzes] // Engineering Bulletin of the Don. 2016. № 2. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2016/3576 [In Russian].
  25. Drobasheva T.I., Rastoropov S.B. Termostoykost’ kislorodnykh shchelochnykh vol’framovykh i molibdenovykh bronz [Heat resistance of oxygen alkaline tungsten and molybdenum bronzes] // Engineering Bulletin of the Don. 2013. № 1 URL: ivdon.ru/magazine/archive/n1y2013/1488/ [In Russian].
  26. Shchelkanova M.S., Shekhtman G.Sh., Pershina S.V., Pankratov A.A., Khodimchuk A.V., Pryakhina V.I. The study of sodium-vanadium oxide NaV3O8 as an electrode material for all-solid-state sodium-ion batteries // J. Alloys Compd. 2021. 864. P. 158516.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences

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».