Группа ученых из Кольского научного центра научилась синтезировать фосфат титана с заданными свойствами из местного сырья и рассмотрела способы получения на его основе новых функциональных материалов. По сравнению с известными методами синтеза предложенный способ экологически перспективен, требует в два-три раза меньше времени и позволяет получать продукт в одну стадию.

Зеленые технологии весьма популярны в современной промышленности. Все шире применяются сорбенты – материалы, позволяющие избирательно извлекать определенные вещества из смеси. Так можно возвращать в производство полезные компоненты из продуктов переработки либо увеличивать степень их извлечения из сырья, а можно надежно «запирать» опасные вещества в сорбенте, избегая загрязнения природы.

Однако для создания сорбентов порой используются совсем не зеленые технологии. Возникает замкнутый круг: чтобы что-то очистить и принести таким образом пользу, мы используем вещества, производство которых наносит вред. Одно из направлений исследований ученых Института химии и технологии редких элементов и минерального сырья Кольского научного центра – комплексная переработка полезных ископаемых Мурманской области. Целью нескольких проводимых здесь исследований стало создание гибкой технологической системы, в которой один функциональный материал может служить прекурсором для получения другого такого материала, что позволяет расширить линейку получаемых продуктов на базе одной технологии.

Чешуйчатая структура фосфата титана в электронном микроскопе / ©Пресс-служба КНЦ

Группа ученых под руководством доктора технических наук Марины Масловой научилась синтезировать фосфат титана с заданными свойствами из местного сырья и рассмотрела способы получения на его основе новых функциональных материалов. По сравнению с известными методами синтеза предложенный способ экологически перспективен, требует в два-три раза меньше времени и позволяет получать продукт в одну стадию.

Статья об этом была опубликована в журнале Journal of Material Science.

Фосфаты титана (TiP) стабильны при высоких температурах, ионизирующем излучении и в кислых условиях и обладают хорошими ионообменными свойствами. Поэтому они имеют широкий спектр применения в технологиях разделения, особенно при очистке радиоактивных стоков и воды. Очень подходят они и в качестве матрицы для захоронения радиоактивных отходов. При включении различных катионов в матрицу TiP она приобретает уникальные свойства: ионную проводимость, антимикробную и электрокаталитическую активность, сенсорные и нелинейно-оптические свойства. Из-за способности к ионному обмену и наличия кислотных центров в структуре TiP и их производные используют также в качестве прекурсоров для окислительно-восстановительных катализаторов, оптических материалов, полупроводников и фотокатализаторов, биосенсоров и электродов в литий-ионных аккумуляторах.

Но чтобы обеспечить требуемые свойства, необходимо получить чистую фазу TiP желаемой структуры. Распространенный метод синтеза – это реакция между фосфорной кислотой и титансодержащими растворами (например, Ti(SO₄)₂, TiOSO₄, TiCl₃, TiCl₄ или алкоксидами титана). Быстрый гидролиз частиц титана делает эти реакции неконтролируемыми, поэтому управлять синтезом для обеспечения желаемого состава крайне трудно. Чтобы преодолеть эти ограничения, применяют дорогостоящие темплатирующие агенты или специальное оборудование, что увеличивает себестоимость продукции.

©Пресс-служба КНЦ

Основной интерес представляют кислые фосфаты титана, содержащие дигидрофосфатные группы (TiHP). Благодаря наличию групп Н₂РО₄^-, образующих сильнокислотные центры, фосфаты титана можно использовать в качестве сорбентов и в кислой среде. Кроме того, TiHP пригодны для получения электрохимически активных материалов. Среди многочисленных ионообменников на основе фосфатов титана есть два соединения, содержащие только дигидрофосфатные группы: Ti₂O₃(H₂PO₄)₂·2H₂O и TiO(OH)(H₂PO₄)·2H₂O. Это слоистые соединения, в межслоевые пространства которых можно внедрять различные частицы, придавая им новые свойства.

Новый метод, разработанный апатитскими учеными, отличается простотой, низкой стоимостью и заключается во взаимодействии кристаллического титанилсульфата аммония с фосфорной кислотой (такой твердый прекурсор никогда ранее не использовался для синтеза TiHP). Применение именно этого сырья в качестве источника титана позволило значительно сократить количество стадий синтеза и объем стоков, использовать разбавленную фосфорную кислоту и получить фосфат титана необходимого состава экологически безопасным способом.

На Кольском полуострове титанилсульфат аммония доступен и производится из минерала титанита, побочного продукта переработки апатит-нефелиновой руды.

Возможность направленного регулирования структурно-фазовой организации фосфата титана состава TiO(OH)H₂PO₄·2H₂O позволила существенно улучшить сорбционные свойства конечного продукта по сравнению с известными сорбентами на основе индивидуальных фосфатов титана.

Термической обработкой частично замещенных катионами лития кислых фосфатов титана ученые получили композит материала, содержащего равномерно распределенный твердый электролит со структурой типа NASICON, обладающий высокой ионной проводимостью. Использование такого материала в качестве анода позволит обеспечить создание более энергоемкой электрохимической системы с повышенным потенциалом химического источника тока без разложения электролита.