Фазообразование слоистых титанатниобатов KA2Ti2NbO10, A=Bi(III), Pr(III)

Слоистые перовскитоподобные соединения, относящиеся к фазам Диона -Якобсона, обладают уникальными структурными особенностями и имеют потенциальное применение в различных областях науки и техники, что делает данные материалы предметом активного изучения и исследований в последние годы. Синтез фаз Диона - Якобсона осуществляется разными способами, включая стандартный твердофазный синтез, гидротермальный синтез, золь-гель метод, синтез из расплава и другие. На сегодняшней день наиболее распространённым методом является твердофазный синтез ввиду простоты проведения взаимодействия компонентов и легкости контроля состава исходной шихты. Однако сообщается, что не каждое соединение со структурой Диона - Якобсона удается получить данным способом, что указывает на необходимость корректного подбора условий термообработки и прекурсоров. Таким образом, целью данного исследования было изучение возможности формирования слоистых перовскитоподобных фаз со структурой Диона - Якобсона состава KA2Ti2NbO10, A=Bi(III), Pr(III) в процессе твердофазного синтеза из исходной шихты различного состава при термообработке в муфельной печи. Подобраны условия высокотемпературного обжига на основании данных дифференциально-термического и термогравиметрического анализа. Показано, что при замене оксида висмута(III) в исходной шихте на более тугоплавкий смешанный оксид празеодима(III, IV) повышается температура получения однофазного образца. Выявлено, что уменьшение радиуса катиона в позиции А структуры фазы Диона - Якобсона приводит к понижению симметрии элементарной ячейки с тетрагональной в случае A=Bi(III) на ромбическую для A=Pr(III). Уточнены параметры элементарных ячеек синтезированных фаз, установлено уменьшение объёма ячейки при снижении ионного радиуса катиона в позиции А. Полученные фазы исследованы дифракционными и спектроскопическими методами.

Layered perovskite-like compounds related to Dion-Jacobson phases with unique structural features have potential applications in various fields of science and technology, which makes these materials the subject of active research in recent years. Synthesis of Dion-Jacobson phases is carried out in various ways, including standard solid-state synthesis, hydrothermal synthesis, sol-gel method, molten salt synthesis, and others. At present, the most common method is the solid-state synthesis, due to simple interaction of compounds and an easy way to control the composition of the initial mixture. However, it is reported that not every compound with the Dion-Jacobson structure can be obtained by this method, which indicates the need for correct selection of heat treatment conditions and precursors. Thus, the aim of this study is to investigate the possibility of forming layered perovskite-like phases with the Dion-Jacobson structure of the KA2Ti2NbO10 composition, A=Bi(III), Pr(III), using the solid-state synthesis from the initial mixture of different compositions during heat treatment in a muffle furnace. The conditions of high-temperature annealing have been selected based on the data of differential thermal and thermogravimetric analysis. It has been shown that replacing bismuth(III) oxide in the initial mixture with a high-melting praseodymium(III, IV) mixed oxide increases the temperature of obtaining a single-phase sample. It has been found that a decrease in the radius of the A-site cation in the Dion-Jacobson phase structure leads to a decrease in the symmetry of the unit cell from a tetragonal one, in the case of A=Bi(III), to orthorhombic one for A=Pr(III). The decrease of the unit cell volume with a decrease of the A-cation ionic radius has been established. The obtained phases have been studied using diffraction and spectroscopic methods.