Структурные особенности и свойства полититанатов калия, полученных при обработке порошка TiO2 в нитратно-гидроксидных расплавах различного состава
https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-03-200-214
Аннотация
Исследовано влияние соотношения компонентов в реакционной смеси TiO2-KOH-KNO3 на структурные особенности квазиаморфных частиц полититаната калия (ПТК), имеющего химический состав K2O·(4,18 ± 0,16)TiO2·(2,2 ± 0,1)H2O. С использованием методов просвечивающей и сканирующей микроскопии, рентгеновского фазового анализа, термического анализа, ИК-спектроскопии и рентгеновской фотоэлектронной микроскопии показано, что при снижении содержания KОН в расплаве, используемом при синтезе в ходе термической обработки порошков TiO2 (500 °C, 2 ч), степень кристалличности структуры частиц ПТК увеличивается, доля титана в валентном состоянии Ti3+, а также количество химически связанной воды – снижаются. Анализируется механизм процессов, протекающих при синтезе полититаната калия в нитратно-гидроксидных расплавах различного химического состава, и дается объяснение закономерностям в изменении структуры частиц ПТК, наблюдаемым при изменении окислительной способности данных расплавов. На основании полученных данных даются рекомендации по использованию различных вариантов нитратно-гидроксидных расплавов для синтеза порошков ПТК в зависимости от их дальнейшего использования.
Об авторах
Н. О. МорозоваРоссия
Морозова Наталья Олеговна, лаборант-исследователь
ул. Политехническя, 77, Саратов, 410054
А. В. Гороховский
Россия
Гороховский Александр Владиленович, доктор химических наук, профессор, заведующий кафедрой
ул. Политехническя, 77, Саратов, 410054
О. Ю. Грапенко
Россия
Грапенко Ольга Юрьевна, младший научный сотрудник
пр. Стачки, 194, Ростов-на-Дону, 344090
Список литературы
1. Sasaki T, Watanabe M, Michiue Y, Komatsu Y, et al. Preparation and acid-base properties of a protonated titanate with the lepidocrocite-like layer structure. Chemistry of Materials. 1995;7(5):1001-1007. DOI:10.1021/cm00053a029
2. Ma R, Bando Y, Sasaki T. Nanotubes of lepidocrocite titanates. Chemical Physics Letters. 2003;380(5-6):577-582. DOI:10.1016/j.cplett.2003.09.069
3. Maluangnont T, Arsa P, Limsakul K, Juntarachairot S, et al. Surface and interlayer basecharacters in lepidocrocite titanate: the adsorption and intercalation of fatty acid. Journal of Solid State Chemistry. 2016;238:175-181. DOI:10.1016/j.jssc.2016.03.030
4. Gorokhovsky A, Morozova N, Yurkov G, Grapenko O, et al. Catalytic decomposition of H2O2 in the aqueous dispersions of the potassium polytitanates produced in different conditions of molten salt synthesis. Molecules. 2023;28(13):4945. DOI:10.3390/molecules 28134945
5. Pei Q, He T, Yu Y, Jing Z, et al. Fabrication of oxygen vacancies through assembling an amorphous titanate overlayer on titanium oxide for a catalytic water–gas shift reaction. Journal of Materials Chemistry A. 2021;9(5):2784-2791. DOI:10.1039/D0TA11641F
6. Kitano M, Wada E, Nakajima K, Hayashi S, et al. Protonated titanate nanotubes with Lewis and Brønsted acidity: relationship between nanotube structure and catalytic activity. Chemistry of Materials. 2013;25(3):385-393. DOI:10.1021/cm303324b
7. Riss A, Berger T, Grothe H, Bernardi J, Diwald O, Kno1zinger E. Chemical control of photoexcited states in titanate nanostructures. Nano Letters. 2007;7(2):433-438. DOI:10.1021/nl062699y
8. Zhang S, Chen Q, Peng L-M. Structure and formation of H2Ti3O7 nanotubes in an alkali environment. Physical Review B. 2005;71(1):014104. DOI:10.1103/PhysRevB.71.014104
9. Sanchez-Monjaras T, Gorokhovsky AV, Escalante-Garcia JI. Molten salt synthesis and characterization of polytitanate ceramic precursors with varied TiO2/K2O molar ratio. Journal of the American Ceramic Society. 2008;91(9):3058-3065. DOI:10.1111/j.1551-2916.2008.02574.x
10. Liu T, Miao L, Yao F, Zhang W, et al. Structure, properties, preparation, and application of layered titanates. Inorganic Chemistry. 2024;63(1):1-26. DOI:10.1021/acs.inorgchem.3c03075
11. Mastoroudes BC, Markgraaff J, Wagener JB, Olivier EJ. Synthesis of cesium, sodium and nitrogen derived titanates using the Pechini sol-gel method. Chemical Physics.2020;537:110816. DOI:10.1016/j.chemphys.2020.110816
12. Xu L, Pan C, Li S, Yin C, et al. Electrostatic selfassembly synthesis of three-dimensional mesoporous lepidocrocite-type layered sodium titanate as a superior adsorbent for selective removal of cationic dyes via an ionexchange mechanism. Langmuir. 2021;37(19):6080-6095. DOI:10.1021/acs.langmuir.1c00913
13. Hayashi H, Hakuta Y. Hydrothermal synthesis of metal oxide nanoparticles in supercritical water. Materials. 2010;3:3794-3817. DOI:10.3390/ma3073794
14. Liu Y, Qi T, Zhang Y. A novel way to synthesize potassium titanates. Materials Letters. 2006;60(2):203-205. DOI:10.1016/j.matlet.2005.08.017
15. Zima T, Baklanova N, Bataev I. Synthesis and characterization of hybrid nanostructures produced in the presence of the titanium dioxide and bioactive organic substances by hydrothermal method. Journal of Solid State Chemistry.2012;198:131-137. DOI:10.1016/j.jssc.2012.09.019
16. Afanasiev P. Molten salt syntheses of alkali metal titanates. Journal of Materials Science. 2006;41(4):1187-1195. DOI:10.1007/s10853-005-3656-2
17. Vikulova MA, Maksimova LA, RudyhVYu, Gorshkov NV. Selective lithium extraction from aqueous solutions by layered amorphous protonated potassium polytitanate. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2023;8(1):60-69. DOI:10.17277/jamt.2023.01.pp.060-069
18. Fedorov FS, Varezhnikov AS, Kiselev I, Kolesnichenko VV, et al. Potassium polytitanate gassensor study by impedance spectroscopy. Analytica Chimica Acta. 2015;897:81-86. DOI:10.1016/j.aca.2015.09.029
19. Goffman VG, Gorokhovsky AV, Kompan MM, Tretyachenko EV, et al. Electrical properties of the potassium polytitanate compacts. Journal of Alloys and Compounds. 2014;615:526-529. DOI:10.1016/j.jallcom.2014.01.121
20. Gorokhovsky AV, Tsiganov AR, Nikityuk TV, Escalante-Garcia JI, et al. Synthesis and properties of nanocomposites in the system of potassium polytitanatelayered double hydroxide. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(3):3924-3934. DOI:10.1016/j.jmrt.2020.02.018
21. Tretyachenko EV, Gorokhovsky AV, Yurkov GY, Fedorov FS., et al. Adsorption and photo-catalytic properties of layered lepidocrocite-like quasi-amorphous compounds based on modified potassium polytitanates. Particuology. 2014;17:22-28. DOI:10.1016/j.partic.2013.12.002
22. Shirpour M, Cabana J, Doeff M. Lepidocrocitetype layered titanate structures: new lithium and sodium ion intercalation anode materials. Chemistry of Materials. 2014;26(8):2502-2512. DOI:10.1021/cm500342m
23. Xu Z, Wang L, Fang F, Fu Y, Yin Z. A review on colloidal self-assembly and their applications. Current Nanoscience. 2016;12(6):725-746. DOI:10.2174/1573413712666160530120807
24. Xu J, Zhang H, Zhang J, Liu X, He X, Xu D, Sun J. Hydrothermal synthesis of potassium/sodium titanate nanofibres and their ultraviolet properties. Micro & Nano Letters. 2012;7(5):407-411. DOI:10.1049/mnl.2012.0116
25. Timokhin VM, Garmash VM, Tedzhetov VA. Spectral diagnostics of oscillation centers in crystals with hydrogen bonds. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2019;5(2):61-68. DOI:10.17073/1609-3577-2019-1-35-44 (In Russ.)
26. Panayotov DA, Yates Jr JT. Depletion of conduction band electrons in TiO2 by water chemisorptions-IR spectroscopic studies of the independence of Ti-OH frequencies on electron concentration. Chemical Physics Letters. 2005;410(1-3): 11-17. DOI:10.1016/j.cplett.2005.03.146
27. Shkol′nikov YeV. Effect of polymorphism and dispersion of titanium dioxide on solubility in acidic and alkaline media. Izvestiya Sankt-Peterburgskoy lesotekhnicheskoy akademii. 2016;215:266-275. (In Russ.)
28. Sampath AJ, Wickramasinghe ND, de Silva KN, de Silva RM. Methods of extracting TiO2 and other related compounds from Ilmenite. Minerals. 2023;13(5):662. DOI:10.3390/min13050662
29. Tominaka S, Yamada H, Hiroi S, Kawaguchi SI, Ohara K. Lepidocrocite-type titanate formation from isostructural prestructures under hydrothermal reactions: observation by synchrotron X-ray total scattering analyses. ACS Omega. 2018;3(8):8874-8881. DOI:10.1021/acsomega.8b01693
30. Diebold U, Lehman J, Mahmoud T. Intrinsic defects on a TiO2(110)(1 × 1) surface and their reaction with oxygen: a scanning tunneling microscopy study. Surface Science. 1998;411(1-2):137-153. DOI:10.1016/S0039-6028(98)00356-2
31. Henrich VE, Kurtz RL. Surface electronic structure of TiO2: atomic geometry, ligand coordination, and the effect of adsorbed hydrogen. Physical Review B. 1981;23(12):6280-6287. DOI:10.1103/PhysRevB.23.6280
32. Lu G, Linsebigler A, Yates JT. Ti3+ defect sites on TiO2(110): production and chemical detection of active sites. Journal of Physical Chemistry. 1994;98(45):11733-11738. DOI:10.1021/j100096a017
33. Xiong LB, Li JL, Yang B, Yu Y. Ti3+ in the surface of titanium dioxide: generation, properties and photocatalytic application. Journal of Nanomaterials. 2012;2012(1):831524. DOI:10.1155/2012/831524
34. Raupp GB, Dumesic JA. Adsorption of CO, CO2, H2, and H2O on titania surfaces with different oxidation states. The Journal of Physical Chemistry. 1985; 89(24):5240-5246. DOI:10.1021/j100270a024
35. Sirisuk A, Klansorn E, Praserthdam P. Effects of reaction medium and crystallite size on Ti3+ surface defects in titanium dioxide nanoparticles prepared by solvothermal method. Catalysis Communications. 2008;9(9):1810-1814. DOI:10.1016/j.catcom.2008.01.035
36. Parrino F, Livraghi S, Giamello E, Ceccato R, Palmisano L. Role of hydroxyl, superoxide, and nitrate radicals on the fate of bromide ions in photocatalytic TiO2 suspensions. ACS Catalysis. 2020;10(14):7922-7931. DOI:10.1021/acscatal.0c02010
37. Stoyanov E, Langenhorst F, Steinle-Neumann G. The effect of valence state and site geometry on TiL3,2 and OK electron energy-loss spectra of TixOy phases. American Mineralogist. 2007;92(4):577-586. DOI:10.2138/am.2007.2344
38. Lu TC, Wu YS, Lin LB, Zheng WC. Defects in the reduced rutile single crystal. Physica B: Condensed Matter. 2001;304(1-4):147-151. DOI:10.1016/S0921-4526(01)00337-4
Рецензия
Для цитирования:
Морозова Н.О., Гороховский А.В., Грапенко О.Ю. Структурные особенности и свойства полититанатов калия, полученных при обработке порошка TiO2 в нитратно-гидроксидных расплавах различного состава. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2025;10(3):200-214. https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-03-200-214
For citation:
Morozova N.O., Gorokhovsky A.V., Grapenko O.Yu. Structural features and properties of potassium polytitanates produced by TiO2 powder processing in the molten nitrate-hydroxide mixtures of different composition. Journal of Advanced Materials and Technologies. 2025;10(3):200-214. https://doi.org/10.17277/jamt-2025-10-03-200-214
JATS XML















