Развитие термодинамических основ для создания новых функциональных оксидных монокристаллических и керамических материалов на основе лития, переходных и редкоземельных элементов

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-19-00095

НазваниеРазвитие термодинамических основ для создания новых функциональных оксидных монокристаллических и керамических материалов на основе лития, переходных и редкоземельных элементов

Руководитель Мацкевич Ната Ивановна, Доктор химических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт неорганической химии им. А.В.Николаева Сибирского отделения Российской академии наук , Новосибирская обл

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-203 - Фазовые равновесия и превращения

Ключевые слова смешанные оксиды; переходные и редкоземельные элементы; термодинамические свойства; выращивание монокристаллов

Код ГРНТИ29.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Мы вырастили новые монокристаллы в системе Li2MoO4-Li2WO4 и синтезировали новые керамические оксиды Bi12.5R1.5FeO22.5, Bi3R0.8Nb0.2O6.2 (R - редкоземельный элемент), которые обладают уникальными функциональными свойствами. Для эффективного использования вышеуказанных соединений необходимо их незамедлительное изучение. Проект посвящен проблеме создания и физико-химического исследования новых функциональных монокристаллических и керамических материалов для экологически чистых и энергосберегающих технологий, а также материалов для физики высоких энергий. В рамках проблемы будет решаться задача физико-химического, в частности, термодинамического, изучения новых монокристаллов в системе Li2MoO4-Li2WO4 и новых керамических оксидов Bi12.5R1.5FeO22.5, Bi3R0.8Nb0.2O6.2 (R - редкоземельный элемент). Для решения поставленной задачи будет использоваться сочетание различных подходов и методов, разработанных коллективом авторов проекта, состоящим из узнаваемых экспертов в соответствующих областях. Коллектив проекта включает специалистов мирового уровня по росту монокристаллов, в области термодинамики и координирует группы из научно-исследовательских институтов (Институт неорганической химии СО РАН, Институт теплофизики СО РАН) и высших учебных заведений (Уральский федеральный университет и др.). В проекте будут выращены новые монокристаллы Li2W1-xMoxO4 с малым замещением молибденом и синтезированы новые керамические оксиды Bi12.5R1.5FeO22.5, Bi3R0.8Nb0.2O6.2 (R - редкоземельный элемент). Основой для синтеза этих соединений будет проведенное физико-химическое, в частности, термодинамическое исследование в системах Li2MoO4-Li2WO4, Bi2O3-R2O3-Fe2O3, Bi2O3-R2O3-Nb2O5. Выращенные авторами проекта уникальные монокристаллы Li2W1-xMoxO4 будут полностью удовлетворять международным требованиям, предъявляемым к материалам по регистрации редких событий, в частности, безнейтринного двойного бета распада. Рост монокристаллов смешанных оксидов для целей промышленного использования является сложной и многофункциональной задачей. Редко кому удается выполнить то, что было реализовано авторами проекта в последние десятилетия. Созданный низкоградиентный метод Чохральского является ключевой составляющей разработки, поскольку, используя традиционные подходы, не удавалось вырастить кристаллы ряда оксидных соединений, в частности, в системах Li2WO4-Li2MoO4. В рамках проекта методами реакционной калориметрии будут измерены энтальпии реакций, стандартные энтальпии образования для соединений в вышеуказанных системах. Два взаимодополняющих метода будут использованы для этих целей: калориметрия растворения при комнатных температурах в кислотах и высокотемпературная калориметрия в расплавах (расплавы молибдатов и расплавы боратных стекол). Инкременты энтальпий и энтропий, а также теплоемкости и характеристики фазовых переходов (температуры, энтальпии фазовых переходов) будут определены в широком интервале температур (190-1000К) методом дифференциально-сканирующей калориметрии. Идентификация будет выполнена всеми необходимыми для полной характеризации полученных соединений методами, такими как рентгенофазовый анализ, флуоресцентный анализ, методы исследования сцинтилляционных свойств, методы элементного анализа, анализ на примеси и др. На основании полученных экспериментальных данных будет создана ранее отсутствующая сводка термодинамических величин для соединений в системах Li2MoO4-Li2WO4, Bi2O3-R2O3-Fe2O3, Bi2O3-R2O3-Nb2O5. Данные будут внесены в Банк данных по свойствами материалов электронной техники (БнД СМЭТ) и использованы для оптимизации процессов синтеза соединений в вышеуказанных системах. Будет проведен совокупный анализ всех полученных термодинамических величин и сопоставление их со структурными параметрами для построения зависимостей «состав-структура-свойство». Проведенное рассмотрение позволит выявить, какие из исследуемых соединений являются наиболее пригодными для практики с точки зрения термодинамики. Будет проведено рассмотрение данных для соединений во всех трех системах (Li2MoO4-Li2WO4, Bi2O3-R2O3-Fe2O3, Bi2O3-R2O3-Nb2O5) в рамках развиваемого авторами подхода «прогнозирующей термодинамики» с малыми замещениями, выявлены особенности, отличия и закономерности изменения термодинамических свойств. Актуальность решения проблемы, рассматриваемой в проекте, обусловлена тем, что изучаемые материалы способствуют прогрессу при создании энергосберегающих, экологически чистых технологий, а также технологий создания материалов для физики высоких энергий и других областей. Научная новизна проекта заключается, прежде всего, в исследовании новых монокристаллов в системе Li2MoO4-Li2WO4 и новых керамических соединений Bi12.5R1.5FeO22.5, Bi3R0.8Nb0.2O6.2 (R - редкоземельный элемент), а также в развитии термодинамики для смешанных оксидов при малых замещениях редкоземельными или переходными элементами. Проводимые исследования будут способствовать созданию новых оксидных функциональных монокристаллических и керамических материалов и развитию технологии промышленного синтеза монокристаллов в системе Li2MoO4-Li2WO4. Монокристаллы в данных системах важны для регистрации редких событий, в частности, землетрясений и безнейтринного двойного бета распада.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Григорьева В.Д., Шлегель В.Н., Мацкевич Н.И. Thermodynamics and Crystal Growth of Lithium Tungstate Doped by Molybdenum XXII International Conference on Chemical Thermodynamics in Russia, P. 292 (год публикации - 2019)

2. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Шлегель В.Н., Седнев А.Л., Самошкин Д.А., Пищур Д.П., Новиков А.Ю. Термодинамические свойства монокристаллов на основе молибдата лития: теплоемкость, стабильность, эффекты замещения Всероссийская конференция «XXXV Сибирский теплофизический семинар», С. 309 (год публикации - 2019)

3. Мацкевич Н.И., Пищур Д.П., Семерикова А.Н., Ткачев Е.Н., Мацкевич М.Ю., Ануфриева О.И. Энергетические характеристики новых соединений на основе ниобата висмута: энтальпии, теплоемкости, энергии решеток Всероссийская конференция «XXXV Сибирский теплофизический семинар», С. 310 (год публикации - 2019)

4. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Станкус С.В., Григорьева В.Д., Самошкин Д.А., Зайцев В.П., Кузнецов В.А. New Mixed Oxides on the Basis of Bismuth Niobate and Lithium Molybdate III Всероссийская конференция «Горячие точки химии твердого тела: от новых идей к новым материалам», C. 240 (год публикации - 2019)

5. Григорьева В.Д., Шлегель В.Н. Growth of Li2W1-xMoxO4 cryogenic scintillating crystals in low-thermal-gradient conditions XXI Mendeleev Congress on General and Applied Chemistry, V. 2b, P. 148 (год публикации - 2019)

6. Григорьева В.Д., Шлегель В.Н., Боровлев Ю.А., Рядун А.А., Беккер Т.Б. Bolometric molybdate crystals grown by low-thermal-gradient Czochralski technique Journal of Crystal Growth, V.523, P. 125144. (год публикации - 2019)
10.1016/j.jcrysgro.2019.06.030

7. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Седнев А.Л., Семерикова А.Н., Зайцев В.П., Кузнецов В.А., Новиков А.Ю., Зуев А.Ю. Thermodynamic characteristics of Li2MoO4, Li2W0.85Mo0.15O4 single crystals and stability direction for alkali molybdates The Journal of Chemical Thermodynamics, V.143, 106059 (год публикации - 2020)
10.1016/j.jct.2020.106059

8. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Семерикова А.Н., Мацкевич М.Ю. Thermodynamic study of lithium tungstate single crystals doped by molybdenum (Li2W1-xMoxO4, x = 0.1 and 0.15) Journal of Chemical&Engineering Data, V.65, P. 1523-1530 (год публикации - 2020)
10.1021/acs.jced.9b00941

9. Мацкевич Н.И., Семерикова А.Н., Гельфонд Н.В., Мацкевич М.Ю., Ткачев Е.Н., Ануфриева О.И., Мартынец В.Г. Enthalpy of formation of erbium-doped bismuth niobate Russian Journal of Inorganic Chemistry, V.65, P. 743-746 (год публикации - 2020)
10.1134/S0036023620050162

10. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Станкус С.В., Григорьева В.Д., Самошкин Д.А., Зайцев В.П., Кузнецов В.А. New mixed oxides on the basis of bismuth niobate and lithium molybdate Materials Today: Proceedings, V.25, P.367-369 (год публикации - 2020)
10.1016/j.matpr.2019.12.092

11. Мацкевич Н.И., Семерикова А.Н., Пищур Д.П., Шлегель В.Н., Гельфонд Н.В., Григорьева В.Д., Зайцев В.П., Кузнецов В.А., Новиков А.Ю. Новые материалы на основе редкоземельных и переходных элементов: синтез, термодинамика, закономерности изменения свойств Всероссийская конференция с международным участием «VI Российский день редких земель», C. 39 (год публикации - 2020)

12. Мацкевич Н.И., Семерикова А.Н., Шлегель В.Н., Пищур Д.П., Станкус С.В., Гельфонд Н.В., Зайцев В.П., Самошкин Д.А. Thermodynamics of scintillating crystals on the basis of lithium tungstate XVI International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry in Russia (RTAC-2020), P. 133 (год публикации - 2020)

13. Семерикова А.Н., Мацкевич Н.И., Пищур Д.П., Ануфриева О.И., Ткачев Е.Н., Мацкевич М.Ю. Thermodynamic characteristics of bismuth niobates doped by rare-earth elements XVI International Conference on Thermal Analysis and Calorimetry in Russia (RTAC-2020), P. 188 (год публикации - 2020)

14. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Чернов А.А., Шлегель В.Н., Семерикова А.Н., Самошкин Д.А., Зайцев В.П. Термодинамика монокристаллов вольфрамата лития с низким содержанием молибдена: теплоемкости, энтальпии, энергии решеток V Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика», C. 104 (год публикации - 2020)

15. Мацкевич Н.И., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Семерикова А.Н., Кузнецов В.А., Ткачев Е.Н. Теплоемкость ниобатов висмута, замещенных эрбием и лютецием, в интервале температур 190-370 K V Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика», C. 103 (год публикации - 2020)

16. Мацкевич Н.И., Семерикова А.Н., Мацкевич М.Ю., Ануфриева О.И., Новиков А.Ю. Влияние замены редкоземельных элементов на энтальпии образования и энергии решеток соединений на основе оксидов висмута и ниобия Всероссийская конференция «XXXVI Сибирский теплофизический семинар», C. 264 (год публикации - 2020)

17. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Самошкин Д.А., Зайцев В.П., Ткачев Е.Н. Теплоемкость и фазовые переходы ниобата висмута, замещенного редкоземельными элементами Всероссийская конференция «XXXVI Сибирский теплофизический семинар», C. 265 (год публикации - 2020)

18. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Самошкин Д.А., Шлегель В.Н., Григорьева В.Д., Кузнецов В.А. Особенности термодинамических свойств монокристаллов на основе вольфрамата лития: корреляции «термодинамика-структура-функциональные характеристики» Всероссийская конференция «XXXVI Сибирский теплофизический семинар», C. 293 (год публикации - 2020)

19. Семерикова А.Н., Мацкевич Н.И., Ткачев Е.Н., Ануфриева О.И., Мацкевич М.Ю. Термодинамическое исследование керамических материалов на основе ниобатов висмута, замещенных лютецием и самарием IV Всероссийская молодежная научная конференция с международным участием «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы», Ч. 1, C. 151-153 (год публикации - 2020)

20. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Шлегель В.Н., Гельфонд Н.В. Монокристаллы и термодинамика: система Li2MoO4-Li2WO4 13-й симпозиум с международным участием «Термодинамика и материаловедение», С. 145 (год публикации - 2020)

21. Мацкевич Н.И. Твердотельный калориметр с одной адиабатической оболочкой: общее соотношение между количеством теплоты и подъемом температуры 13-й симпозиум с международным участием «Термодинамика и материаловедение», С. 198 (год публикации - 2020)

22. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Самошкин Д.А., Зайцев В.П., Ткачев Е.Н. Heat capacity and phase transition of bismuth niobate doped by rare earth elements Journal of Physics: Conference Series, V.1677, 012169 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1677/1/012169

23. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Самошкин Д.А., Григорьева В.Д., Кузнецов В.А. Features of thermodynamic properties of single crystals on the basis of lithium tungstate: «thermodynamics – structure – functional characteristics» correlations Journal of Physics: Conference Series, V.1677, 012170 (год публикации - 2020)
10.1088/1742-6596/1677/1/012170

24. Мацкевич Н.И., Станкус С.В., Чернов А.А., Шлегель В.Н., Семерикова А.Н., Самошкин Д.А., Зайцев В.П. Thermodynamics of single crystals of lithium tungstate with low molybdenum content: heat capacities, enthalpies and lattice energies Journal of Physics: Conference Series, V.1675 (год публикации - 2020)

25. Мацкевич Н.И., Семерикова А.Н., Шлегель В.Н., Зайцев В.П., Мацкевич М.Ю., Ануфриева О.И. Czochralski growth, thermodynamic analysis and luminescent properties of Li2W1-xMoxO4 crystal material Journal of Alloys and Compounds, V. 850, 156683 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jallcom.2020.156683

26. Мацкевич Н.И. Физики создали кристаллы для поисков самых редких ядерных распадов ТACC, 10722391 (год публикации - 2021)

27. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Семерикова А.Н., Самошкин Д.А., Григорьева В.Д., Станкус С.В., Кузнецов В.А., Пономарева С.А., Зайцев В.П., Новиков А.Ю. Single crystals of undoped Li2WO4 and Li2W1-0.0125Mo0.0125O4: formation enthalpies, heat capacity in the temperature range 320-997 K Dalton Transactions, V. 50, p. 12130-12136 (год публикации - 2021)
10.1039/D1DT01620B

28. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Гельфонд Н.В., Семерикова А.Н., Мацкевич М.Ю., Карпова Т.Д., Ануфриева О.И. Formation enthalpy and thermodynamic functions of Li2W1-xMoxO4 single crystals (x = 0.025 and 0.05) The Journal of Chemical Thermodynamics, V. 157, 106402 (год публикации - 2021)
10.1016/j.jct.2021.106402

29. Ткачев Е.Н., Мацкевич Н.И., Самошкин Д.А., Шлегель В.Н., Станкус С.В. Heat capacity of lithium tungsten oxide doped by molybdenum (Li2W0.9Mo0.1O4) in the temperature range 319 – 910 K by DSC Physica B: Physics of Condensed Matter, V. 612, 412880 (год публикации - 2021)
10.1016/j.physb.2021.412880

30. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Зайцев В.П., Трифонов В.А. Thermodynamic test of Li2WO4 single crystals with low molybdenum doping: enthalpy, interconnections, heat capacity The Journal of Chemical Thermodynamics, V. 165, 106643 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jct.2021.106643

31. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Чернов А.А., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Григорьева В.Д., Зайцев В.П., Ткачев Е.Н. Heat capacity of lithium tungstate single crystal by DSC calorimetry data in the temperature range of 319-997 K Journal of Physics: Conference Series, V. 2057, 012048 (год публикации - 2021)
10.1088/1742-6596/2057/1/012048

32. Мацкевич Н.И., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Семерикова А.Н., Григорьева В.Д., Зайцев В.П., Кузнецов В.А., Пономарева С.А., Новиков А.Ю. Термодинамические свойства монокристаллов на основе вольфрамата лития по данным реакционной и ДСК калориметрии Всероссийская конференция «XXXVII Сибирский теплофизический семинар, посвященный Году науки и технологий РФ и 60-летию первого полета в Космос, С. 207 (год публикации - 2021)

33. Мацкевич Н.И., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Ткачев Е.Н., Зайцев В.П., Трифонов В.А., Семерикова А.Н., Ануфриева О.И. Теплоемкость висмут кобальтовых оксидов, замещенных неодимом и гольмием, в интервале температур 319-1000 K Всероссийская конференция «XXXVII Сибирский теплофизический семинар, посвященный Году науки и технологий РФ и 60-летию первого полета в Космос, С. 208 (год публикации - 2021)

34. Семерикова А.Н., Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Григорьева В.Д., Зайцев В.П., Ткачев Е.Н. Энергетические характеристики монокристаллов в системе вольфрамат лития-молибдат лития Кластер конференций 2021: VI Международная научная конференция по химии и химической технологии, С. 261 (год публикации - 2021)

35. Семерикова А.Н., Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Григорьева В.Д., Зайцев В.П. Многофункциональные материалы на основе оксидов висмута, лития, вольфрама и молибдена: синтез, термодинамика XIII Сибирский семинар по высокотемпературной сверхпроводимости и физике наноструктур ОКНО-2021, C. 18 (год публикации - 2021)

36. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Чернов А.А., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Григорьева В.Д., Зайцев В.П. Теплоемкость монокристаллического вольфрамата лития по данным ДСК калориметрии в интервале температур 319-997 K VI Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика», С. 129 (год публикации - 2021)

37. Мацкевич Н.И., Чернов А.А. Анализ модели твердотельного калориметра с двумя автоматически управляемыми адиабатическими оболочками VI Всероссийская научная конференция с элементами школы молодых ученых «Теплофизика и физическая гидродинамика», С. 128 (год публикации - 2021)

38. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Трифонов В.А., Григорьева В.Д., Семерикова А.Н., Зайцев В.П., Кузнецов В.А. Перспективные материалы на основе вольфрамата лития и оксида висмута: синтез, термодинамика, закономерности изменения свойств VI междисциплинарный научный форум с международным участием "Новые материалы и перспективные технологии", T. II, C.144-147 (год публикации - 2021)

39. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Чернов А.А., Самошкин Д.А., Григорьева В.Д., Станкус С.В., Зайцев В.П. Термодинамические функции монокристалла вольфрамата лития в интервале температур 319-997 K по данным ДСК калориметрии VII Международная научно-практическая конференция «Наука без границ-2021», Т. 2, С.18-23 (год публикации - 2021)

40. Семерикова А.Н., Мацкевич Н.И., Зайцев В.П., Кузнецов В.А., Ткачев Е.Н., Новиков А.Ю. Термохимические характеристики кобальтатов висмута, замещенных неодимом и гольмием Кластер конференций 2021: VI Международная научная конференция по химии и химической технологии, С. 289 (год публикации - 2021)

41. Мацкевич Н.И., Семерикова А.Н., Ткачев Е.Н., Мацкевич М.Ю., Ануфриева О.И., Зайцев В.П. Термохимия соединений на основе оксидов висмута, железа, эрбия по данным реакционной калориметрии XVII Международная научно-практическая конференция «Фундаментальная и прикладная наука -2021», Т. 3, С. 50-53 (год публикации - 2021)

42. Мацкевич Н.И., Шлегель В.Н., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Семерикова А.Н., Григорьева В.Д., Зайцев В.П., Кузнецов В.А., Пономарева С.А., Новиков А.Ю. Thermodynamic properties of single crystals based on lithium tungstate by reaction and DSC calorimetry Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

43. Мацкевич Н.И., Самошкин Д.А., Станкус С.В., Ткачев Е.Н., Зайцев В.П., Трифонов В.А., Семерикова А.Н., Ануфриева О.И. Heat capacity of bismuth cobalt oxides doped by neodymium and holmium in the temperature range 319-1000 K Journal of Physics: Conference Series (год публикации - 2021)

Публикации