Способ получения бората лития и цинка

Изобретение относится к области материаловедения, в частности, к способу получения поликристаллических боратов, которые могут найти применение в качестве катализаторов и твердых электролитов. Двойной борат лития и цинка LiZnBO₃ получают путем термической обработки, при этом в качестве исходных компонентов используют смесь из предварительно полученного LiBO₂ (37,80 мас.%), ZnO (61,79 мас.%), Н₃ВО₃ (0,41 мас.%) при ступенчатом подъеме температуры от 350°С до 700°С течение 260 часов. Борат лития LiBO₂ предварительно получают из смеси Li₂CO₃ и Н₃ВО₃, взятых в молярном соотношении 1:1, которую отжигают на воздухе при 650°С в течение 50 часов. Технический результат - сокращение продолжительности синтеза путем использования доступных и недорогих реактивов. 1 ил., 2 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области материаловедения, в частности, к способу получения поликристаллических боратов, которые могут найти применение в качестве катализаторов и твердых электролитов (ТЭЛ).

Известны способы получения двойного бората лития и цинка состава LiZnBO₃, кристаллизующегося в моноклинной сингонии с пр.гр. С2/с.

(1. Belkebir A., Tarte P., Rulmont A., Gilbert, В. Synthesis, structural and vibrational analysis of LiMBO₃ orthoborates (M=Mg, Co, Zn) // New Journal of Chemistry. 1996. 20 (3), P.311-316.

2. Tsuyumoto I., Kihara A. Synthesis, characterization and charge-discharge properties of layer-structure lithium zink borate, LiZnBO₃ // Materials Science and Applications. 2013. Vol.4. P.246-249).

Недостатком этих способов получения LiZnBO₃ является высокая температура синтеза (1000°С).

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения бората LiZnBO₃ при нагревании стехиометрической смеси LiBO₂·8Н₂О и ZnO при 600°С в течение одного месяца с несколькими промежуточными перетираниями.

(3. Chen X., Yang С., Chang X., Zang H., Xiao W. Syntheses and characterization of two alkali-metal zinc borates, α-LiZnBO₃ and Li_0.48Na_0.52ZnBO₃ // Solid State Sciences. 2009. Vol.11. P.2086-2092).

Однако известный способ имеет следующие недостатки. Во-первых, значительная продолжительность синтеза (один календарный месяц). Во-вторых, необходимость использования промышленного реактива (LiBO₂·8H₂O).

Цель изобретения - сокращение продолжительности синтеза путем использования доступных и недорогих реактивов.

Поставленная цель достигается тем, что в качестве исходных реагентов при получении LiZnBO₃ используют смесь LiBO₂ (37,80 мас.%), ZnO (61,79 мас.%), Н₃ВО₃ (0,41 мас.%), которую подвергают многоступенчатой термообработке на воздухе при подъеме температуры от 350°С до 700°С в течение 260 часов. Борат лития LiBO₂ предварительно получают из смеси карбоната лития Li₂CO₃ и борной кислоты Н₃ВО₃, взятых в молярном соотношении 1:1. Полученную смесь подвергают термической обработке при 650°С в течение 50 часов.

Данное изобретение иллюстрируется следующим примером.

Пример. Смесь из Li₂CO₃ навеской 4,0645 г (33,3 мол. %) и Н₃ВО₃ навеской 6,7980 г (66,7 мол. %) тщательно растирали в агатовой ступке. Полученную смесь отжигали в платиновом тигле на воздухе при температуре 350°С, затем 500°С и 650°С в течение 10, 20 и 20 часов, соответственно. Смесь из LiBO₂ навеской 1,4940 г (37,80 мас.%), ZnO навеской 2,4420 г (61,79 мас.%) и Н₃ВО₃ - 0,0160 г (0,41 мас.%) тщательно растирали в агатовой ступке. Полученную смесь отжигали в платиновом тигле на воздухе при 350°С, затем 650°С и 700°С в течение 10, 50 и 200 часов, соответственно (сравнение режимов синтеза представлено в табл.1).

Исходными веществами служили: карбонат лития Li₂CO₃ марки «х.ч.», борная кислота Н₃ВО₃ марки «х.ч.», оксид цинка ZnO марки «х.ч.». Предварительно карбонат лития Li₂CO₃ прокаливали при 400°С, а оксид цинка ZnO при 500°С в течение 5 часов до постоянного веса.

Полноту протекания реакции контролировали рентгенографически [порошковый автоматический дифрактометр D8 Advance Bruker AXS (Cu K_α-излучение, графитовый монохроматор)]. Рентгенограмма полученного соединения LiZnBO₃ приведена на рисунке. Параметры элементарной ячейки соединения LiZnBO₃ (пр.гр. С2/с) уточняли методом наименьших квадратов (МНК) с использованием данных, полученных с монокристалла [3]. Кристаллографические характеристики полученного соединения представлены в табл.2.

Краткое описание чертежей

Фиг.

Рентгенограммы LiZnBO₃ (а) - наши данные; (б) - данные [3].

Таблица 1
Условия твердофазного синтеза
Состав	Исходная шихта	Т, °с	Время отжига	Способ
α-LiZnBO3	LiBO2·8H2O, ZnO	600°С	1 месяц	известный
LiBO2	Li2CO3, ZnO, Н3ВО3	350°С-650°С	50 ч
LiZnBO3	LiBO2, ZnO, Н3ВО3	350°С-700°С	260 ч	заявляемый

Таблица 2
Кристаллографические характеристики полученного соединения LiZnBO3
Соединение	Сингония	а, Å	b, Å	с, Å	β, град.	Лит.
α-LiZnB03 LiZnB03	монокл. монокл.	8.746(2) 8.742(6)	5.091(1) 5.087(3)	6.129(1) 6.119(3)	118.75(3) 118.97(4)	3 заявл.

Использование предлагаемого способа получения двойного бората лития и цинка обеспечивает по сравнению с существующими способами следующие преимущества.

В результате использования смеси исходных компонентов бората лития LiBO₂ - 37,80 мас.%, оксида цинка ZnO - 61,79 мас.% и борной кислоты Н₃ВО₃ - 0,41 мас.% получен двойной борат лития и цинка LiZnBO₃, который синтезируется при меньшей продолжительности отжига.

Использование заявляемого изобретения позволяет получать двойной борат LiZnBO₃, который может быть использован в качестве катализатора или твердого электролита.

Способ получения двойного бората лития и цинка LiZnBO₃ путем термической обработки, отличающийся тем, что в качестве исходных компонентов используют смесь из предварительно полученного LiBO₂ (37,80 мас.%), ZnO (61,79 мас.%), Н₃ВО₃ (0,41 мас.%) при ступенчатом подъеме температуры от 350°С до 700°С течение 260 часов.