stringtranslate.com

Пентаоксид ниобия

Пятиокись ниобия — неорганическое соединение формулы Nb 2 O 5 . Бесцветное, нерастворимое и практически нереакционноспособное твердое вещество является наиболее распространенным предшественником других соединений и материалов, содержащих ниобий. Он преимущественно используется при легировании, а также в других специализированных применениях в конденсаторах , оптических стеклах и производстве ниобата лития . [2]

Состав

Он имеет множество полиморфных форм, все они основаны в основном на октаэдрически координированных атомах ниобия. [3] [4] Полиморфы идентифицируются различными префиксами. [3] [4] Чаще всего встречается моноклинная форма H -Nb 2 O 5 , которая имеет сложную структуру с элементарной ячейкой, содержащей 28 атомов ниобия и 70 кислорода, где 27 атомов ниобия координированы октаэдрически и один тетраэдрически. [5] Существует неохарактеризованный твердый гидрат Nb 2 O 5 · n H 2 O , так называемая ниобиевая кислота (ранее называвшаяся колумбовой кислотой ), которую можно получить гидролизом основного раствора пентахлорида ниобия или Nb 2 O. 5 растворен в HF. [6]

Расплавленный пентаоксид ниобия имеет более низкие средние координационные числа, чем кристаллические формы, а его структура состоит в основном из полиэдров NbO 5 и NbO 6 . [7]

Производство

Гидролиз

Nb 2 O 5 получают гидролизом ниобатов, алкоксидов или фторидов щелочных металлов с использованием основания. Такие, казалось бы, простые процедуры позволяют получить гидратированные оксиды, которые затем можно обжечь . Чистый Nb 2 O 5 также можно получить гидролизом NbCl 5 : [8]

2 NbCl 5 + 5 H 2 O → Nb 2 O 5 + 10 HCl

Сообщалось о методе производства золь-гель- технологий, заключающемся в гидролизе алкоксидов ниобия в присутствии уксусной кислоты с последующим прокаливанием гелей для получения ромбической формы [3] T-Nb 2 O 5 . [9]

Окисление

Учитывая, что Nb 2 O 5 является наиболее распространенным и надежным соединением ниобия, существует множество методов его образования, как практических, так и эзотерических. Например, оксид возникает при окислении металлического ниобия на воздухе. [10] Окисление диоксида ниобия NbO 2 на воздухе образует полиморфную модификацию L-Nb 2 O 5 . [11]

Наноразмерные частицы пентоксида ниобия были синтезированы восстановлением LiH NbCl 5 с последующим воздушным окислением в рамках синтеза наноструктурированных ниобатов. [ нужна цитата ]

Реакции

Nb 2 O 5 подвергается воздействию HF и растворяется в плавленой щелочи. [6] [10]

Восстановление до металла

Конверсия Nb 2 O 5 является основным направлением промышленного производства металлического ниобия. В 1980-е годы на восстановление до металла ежегодно расходовалось около 15 000 000 кг Nb 2 O 5 . [12] Основным методом является восстановление этого оксида алюминием :

3 Nb 2 O 5 + 10 Al → 6 Nb + 5 Al 2 O 3

Альтернативный, но менее практикуемый путь включает карботермическое восстановление, которое протекает через восстановление углеродом и составляет основу двухстадийного процесса Бальке: [13] [14]

Nb 2 O 5 + 7 C → 2 NbC + 5 CO (нагрев в вакууме при 1800 °С)
5 NbC + Nb 2 O 5 → 7 Nb + 5 CO

Преобразование в галогениды

Известно множество методов конверсии Nb 2 O 5 в галогениды. Основная проблема заключается в неполной реакции образования оксигалогенидов. В лаборатории конверсию можно осуществить с помощью тионилхлорида: [15]

Nb 2 O 5 + 5 SOCl 2 → 2 NbCl 5 + 5 SO 2

Nb 2 O 5 реагирует с CCl 4 с образованием оксихлорида ниобия NbOCl 3 .

Превращение в ниобаты

Обработка Nb 2 O 5 водным раствором NaOH при 200 °C может дать кристаллический ниобат натрия NaNbO 3 , тогда как реакция с КОН может привести к растворимым гексаниобатам типа Линдквиста, Nb.
6О8−
19. [16] Ниобаты лития , такие как LiNbO 3 и Li 3 NbO 4 , могут быть получены реакцией карбоната лития и Nb 2 O 5 . [17] [18]

Преобразование в восстановленные оксиды ниобия

Высокотемпературное восстановление с помощью H 2 дает NbO 2 : [10]

Nb 2 O 5 + H 2 → 2 NbO 2 + H 2 O

Моноксид ниобия получается в результате диспропорционирования в дуговой печи: [19]

Nb 2 O 5 + 3Nb → 5 NbO

Оксид ниобия (III) бордового цвета, один из первых сверхпроводящих оксидов, можно снова получить путем сопропорционирования: [18]

Li 3 NbO 4 + 2 NbO → 3 LiNbO 2

Использование

Пятиокись ниобия используется в основном в производстве металлического ниобия [12] , но существуют специальные применения в производстве оптических стекол и ниобата лития . [2]

Тонкие пленки Nb 2 O 5 образуют диэлектрические слои в ниобиевых электролитических конденсаторах .

Nb 2 O 5 рассматривались для использования в качестве анода в литий-ионных батареях, учитывая, что их упорядоченная кристаллическая структура обеспечивает скорость зарядки 225 мАч/г при 200 мА/ г за 400 циклов, при кулоновском КПД 99,93. %. [20]

Внешние ссылки

Рекомендации

  1. ^ «Справочник по химии и физике, 102-е издание». ЦРК Пресс .
  2. ^ ab Франсуа Кардарелли (2008) Справочник материалов Springer London ISBN 978-1-84628-668-1 
  3. ^ abc К. Нико; и другие. (2011). «Спеченные порошки NbO для применения в электронных устройствах». Журнал физической химии C. 115 (11): 4879–4886. дои : 10.1021/jp110672u.
  4. ^ ab Wells AF (1984) Структурная неорганическая химия, 5-е издание, ISBN Oxford Science Publications 0-19-855370-6 
  5. ^ Гейтхаус, БМ; Уодсли, AD (1 декабря 1964 г.). «Кристаллическая структура высокотемпературной формы пятиокиси ниобия». Акта Кристаллографика . 17 (12). Международный союз кристаллографии (IUCr): 1545–1554 гг. дои : 10.1107/s0365110x6400384x. ISSN  0365-110X.
  6. ^ ab Д.А. Байот и М.М. Девиллерс, Пути прекурсоров для получения мультиметаллических оксидов на основе Nb в ходе исследований в области химии твердого тела, Арте М. Ньюман, Рональд В. Бакли, (2007), Nova Publishers, ISBN 1-60021-313- 8 
  7. ^ Олдерман, OLG Бенмор, CJ Neuefeind, JC Coillet, E Mermet, Ален Мартинес, В. Тамалонис, А. Вебер, JKR (2018). «Аморфная тантала и ее связь с расплавленным состоянием». Материалы физического обзора . 2 (4): 043602. Бибкод : 2018PhRvM...2d3602A. doi : 10.1103/PhysRevMaterials.2.043602 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Процесс производства пятиокиси ниобия или пятиокиси тантала, Керн, Тервиль, Джейкоб, Хупер (CIBA Швейцария), номер патента США: 3133788, (1964).
  9. ^ Грисмар, П.; Папен, Г.; Санчес, К.; Ливаж, Дж. (1991). «Золь-гель путь к пентаоксиду ниобия». Химия материалов . 3 (2). Американское химическое общество (ACS): 335–339. дои : 10.1021/cm00014a026. ISSN  0897-4756.
  10. ^ abc Гринвуд, Норман Н .; Эрншоу, Алан (1997). Химия элементов (2-е изд.). Баттерворт-Хайнеманн . ISBN 978-0-08-037941-8.
  11. ^ Веццоли, GC (1 октября 1982 г.). «Электрические свойства NbO2 и Nb2O5 при повышенной температуре на воздухе и в токе аргона». Физический обзор B . 26 (7). Американское физическое общество (APS): 3954–3957. Бибкод : 1982PhRvB..26.3954V. doi : 10.1103/physrevb.26.3954. ISSN  0163-1829.
  12. ^ аб Альбрехт, Свен; Сайморек, Кристиан; Эккерт, Иоахим (2011), Энциклопедия промышленной химии Ульмана: Ниобий и соединения ниобия , Вайнхайм: Wiley-VCH, doi : 10.1002/14356007.a17_251.pub2
  13. ^ Алан Э. Коминс (1999) Энциклопедический словарь названных процессов в химической технологии CRC Press, ISBN 0-8493-1205-1 
  14. ^ Агентство по охране окружающей среды США, Документ разработки по ограничению выбросов, руководящим принципам и стандартам для категории точечных источников производства цветных металлов, том VIII, Управление правил и стандартов водных ресурсов, май 1989 г.
  15. ^ Браун, Д. (1967). «Хлорид ниобия (V) и гексахлорниобаты (V)». Неорганические синтезы . Неорганические синтезы. Том. 9. С. 88–92. дои : 10.1002/9780470132401.ch24. ISBN 9780470132401.
  16. ^ Сантос, ICMS; Лоурейро, Л.Х.; Сильва, MFP; Кавалейро, Ана М.В. (2002). «Исследования по гидротермальному синтезу оксидов ниобия». Многогранник . 21 (20). Эльзевир Б.В.: 2009–2015 гг. дои : 10.1016/s0277-5387(02)01136-1. ISSN  0277-5387.
  17. ^ Патент США 5482001 - Способ производства монокристалла ниобата лития, 1996, Катуно Т., Томинага Х.,
  18. ^ аб Гезельбрахт, Маргрет Дж.; Стейси, Анжелика М.; Россейнский, Мэтью (5 января 2007 г.). «Оксид лития-ниобия: LiNbO 2 и сверхпроводящий Li x NbO 2 ». Неорганические синтезы . Том. 30. Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., стр. 222–226. дои : 10.1002/9780470132616.ch42. ISBN 9780470132616. ISSN  1934-4716.
  19. ^ Рид, ТБ; Поллард, скорая помощь; Лонни, Луизиана; Ломан, Р.Э.; Хониг, Дж. М. (5 января 2007 г.). «Монооксид ниобия». Неорганические синтезы . Том. 30. Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc., стр. 108–110. дои : 10.1002/9780470132616.ch22. ISBN 9780470132616. ISSN  1934-4716.
  20. ^ Лаварс, Ник (9 сентября 2022 г.). «Электрод аккумулятора трансформируется во время использования для более быстрой зарядки». Новый Атлас . Проверено 10 сентября 2022 г.