stringtranslate.com

Пентаоксид ниобия

Пентаоксид ниобия — неорганическое соединение с формулой Nb2O5 . Бесцветное , нерастворимое и довольно нереакционноспособное твердое вещество, оно является наиболее распространенным прекурсором для других соединений и материалов, содержащих ниобий. Он в основном используется в легировании, а также в других специализированных применениях в конденсаторах , оптических стеклах и производстве ниобата лития . [2]

Структура

Он имеет много полиморфных форм, все из которых в значительной степени основаны на октаэдрически координированных атомах ниобия. [3] [4] Полиморфы идентифицируются с помощью различных префиксов. [3] [4] Наиболее часто встречающаяся форма - моноклинная H- Nb2O5 , которая имеет сложную структуру с элементарной ячейкой, содержащей 28 атомов ниобия и 70 атомов кислорода, где 27 атомов ниобия координированы октаэдрически, а один - тетраэдрически. [ 5] Существует неохарактеризованный твердый гидрат, Nb2O5 · nH2O , так называемая ниобиевая кислота ( ранее называвшаяся ниобиевой кислотой ), которая может быть получена путем гидролиза основного раствора пентахлорида ниобия или Nb2O5 , растворенного в HF . [ 6 ]

Расплавленный пентоксид ниобия имеет более низкие средние координационные числа, чем кристаллические формы, со структурой, состоящей в основном из полиэдров NbO 5 и NbO 6. [7]

Производство

Гидролиз

Nb 2 O 5 получают путем гидролиза ниобатов щелочных металлов, алкоголятов или фторида с использованием основания. Такие, казалось бы, простые процедуры дают гидратированные оксиды, которые затем можно прокалить . Чистый Nb 2 O 5 также можно получить путем гидролиза NbCl 5 : [8]

2NbCl5 + 5H2O → Nb2O5 + 10HCl​​

Сообщалось о методе производства с помощью золь-гель технологий путем гидролиза алкоголятов ниобия в присутствии уксусной кислоты с последующим прокаливанием гелей для получения орторомбической формы [3] T-Nb 2 O 5 . [9]

Окисление

Учитывая, что Nb 2 O 5 является наиболее распространенным и надежным соединением ниобия, существует много методов, как практических, так и эзотерических, для его образования. Оксид, например, возникает, когда металлический ниобий окисляется на воздухе. [10] Окисление диоксида ниобия , NbO 2 на воздухе образует полиморф, L-Nb 2 O 5 . [11]

Наноразмерные частицы пентоксида ниобия были синтезированы путем восстановления NbCl 5 с помощью LiH , с последующим окислением в воздухе в рамках синтеза наноструктурированных ниобатов. [ необходима ссылка ]

Реакции

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

Сведение к металлу

Конверсия Nb 2 O 5 является основным путем промышленного производства металлического ниобия. В 1980-х годах для восстановления до металла ежегодно потреблялось около 15 000 000 кг Nb 2 O 5. [12] Основным методом является восстановление этого оксида алюминием :

3Nb2O5 + 10Al → 6Nb + 5Al2O3​

Альтернативный, но менее практикуемый путь включает карботермическое восстановление, которое осуществляется путем восстановления углеродом и составляет основу двухстадийного процесса Балке: [13] [14]

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

Превращение в галогениды

Известно много методов преобразования Nb 2 O 5 в галогениды. Основная проблема — неполное протекание реакции с образованием оксигалогенидов. В лабораторных условиях преобразование можно осуществить с помощью тионилхлорида: [15]

Nb2O5 + 5SOCl2 → 2NbCl5 + 5SO2​​​

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

Преобразование в ниобаты

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

Конверсия 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

Монооксид ниобия получается в результате пропорционирования с использованием дуговой печи: [19]

Nb2O5 + 3Nb → 5NbO

Оксид ниобия(III) бордового цвета, один из первых сверхпроводящих оксидов, может быть получен снова путем пропорционирования: [18]

Li 3 NbO 4 + 2 NbO → 3 LiNbO 2

Использует

Пентаоксид ниобия используется в основном в производстве металлического ниобия [12], но существуют и 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 аккумуляторах, учитывая, что их упорядоченная кристаллическая структура позволяет достигать скорости зарядки 225 мАч г −1 при 200 мА г −1 в течение 400 циклов с кулоновской эффективностью 99,93% [20] .

Внешние ссылки

Ссылки

  1. ^ "Справочник по химии и физике, 102-е издание". CRC Press .
  2. ^ ab Франсуа Кардарелли (2008) Справочник материалов Springer London ISBN 978-1-84628-668-1 
  3. ^ abc C. Nico; et al. (2011). «Спеченные порошки NbO для применения в электронных устройствах». Журнал физической химии C. 115 ( 11): 4879–4886. doi :10.1021/jp110672u.
  4. ^ ab Wells AF (1984) Структурная неорганическая химия 5-е издание Oxford Science Publications ISBN 0-19-855370-6 
  5. ^ Гейтхаус, Б. М.; Уодсли, А. Д. (1964-12-01). «Кристаллическая структура высокотемпературной формы пентаоксида ниобия». Acta Crystallographica . 17 (12). Международный союз кристаллографии (МСКР): 1545–1554. doi :10.1107/s0365110x6400384x. ISSN  0365-110X.
  6. ^ ab DA Bayot и MM Devillers, Precursors ways for preparation of Nb based multimetallic oxides in Progress in Solid State Chemistry Research, Arte M. Newman, Ronald W. Buckley, (2007), Nova Publishers, ISBN 1-60021-313-8 
  7. ^ Alderman, OLG Benmore, CJ Neuefeind, JC Coillet, E Mermet, Alain Martinez, V. Tamalonis, A. Weber, JKR (2018). "Аморфный тантал и его связь с расплавленным состоянием". Physical Review Materials . 2 (4): 043602. Bibcode : 2018PhRvM...2d3602A. doi : 10.1103/PhysRevMaterials.2.043602 .{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  8. ^ Процесс производства пентаоксида ниобия или пентаоксида тантала, Керн, Тервиль, Якоб, Хупер (CIBA Швейцария), номер патента США: 3133788, (1964)
  9. ^ Griesmar, P.; Papin, G.; Sanchez, C.; Livage, J. (1991). «Золь-гель путь к пентоксиду ниобия». Химия материалов . 3 (2). Американское химическое общество (ACS): 335–339. doi :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. ^ Vezzoli, GC (1982-10-01). "Электрические свойства NbO2 и Nb2O5 при повышенной температуре на воздухе и в потоке аргона". Physical Review B. 26 ( 7). Американское физическое общество (APS): 3954–3957. Bibcode : 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 именованных процессов в химической технологии CRC Press, ISBN 0-8493-1205-1 
  14. ^ Агентство по охране окружающей среды США, Документ по разработке ограничений на сбросы, Руководящие принципы и стандарты для категории точечных источников производства цветных металлов, Том VIII, Управление по водным нормам и стандартам, май 1989 г.
  15. ^ Браун, Д. (1967). "Хлорид ниобия(V) и гексахлорониобаты(V)". Неорганические синтезы . Неорганические синтезы. Т. 9. С. 88–92. doi :10.1002/9780470132401.ch24. ISBN 9780470132401.
  16. ^ Сантос, ICMS; Лоурейро, Л. Х.; Силва, М. Ф. П.; Кавалейро, Ана М. В. (2002). «Исследования гидротермального синтеза оксидов ниобия». Polyhedron . 21 (20). Elsevier BV: 2009–2015. doi :10.1016/s0277-5387(02)01136-1. ISSN  0277-5387.
  17. ^ Патент США 5482001 - Процесс производства монокристалла ниобата лития, 1996, Katoono T., Tominaga H.,
  18. ^ ab Geselbracht, Margret J.; Stacy, Angelica M.; Rosseinsky, Matthew (2007-01-05). "Lithium Niobium Oxide: LiNbO 2 и сверхпроводящий Li x NbO 2 ". Неорганические синтезы . Том 30. Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc. стр. 222–226. doi :10.1002/9780470132616.ch42. ISBN 9780470132616. ISSN  1934-4716.
  19. ^ Рид, ТБ; Поллард, ЭР; Лонни, ЛЭ; Ломан, РЭ; Хониг, ДжМ (2007-01-05). "Оксид ниобия". Неорганические синтезы . Т. 30. Хобокен, Нью-Джерси, США: John Wiley & Sons, Inc. стр. 108–110. doi :10.1002/9780470132616.ch22. ISBN 9780470132616. ISSN  1934-4716.
  20. ^ Лаварс, Ник (2022-09-09). «Электрод батареи трансформируется во время использования для более быстрой зарядки». Новый Атлас . Получено 2022-09-10 .