Способ получения титаната натрия


Y02E60/122 -
Y02E60/122 -
C01P2002/72 - Неорганическая химия (обработка порошков неорганических соединений для производства керамики C04B 35/00; бродильные или ферментативные способы синтеза элементов или неорганических соединений, кроме диоксида углерода, C12P 3/00; получение соединений металлов из смесей, например из руд, в качестве промежуточных соединений в металлургическом процессе при получении свободных металлов C21B,C22B; производство неметаллических элементов или неорганических соединений электролитическими способами или электрофорезом C25B)

Владельцы патента RU 2716186:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук (RU)

Изобретение относится к технологии получения титаната натрия Na2Ti3O7, который может быть использован в качестве эффективного анодного материала литиевых и натриевых источников тока, фотокатализатора в ультрафиолетовом и видимом диапазоне света, газочувствительного сенсора для определения влажности воздуха, сепаратора химического источника тока, предотвращающего замыкание электродов и обеспечивающего ионный ток в электролите. Способ включает получение реакционной смеси, содержащей водный раствор гидроксида натрия и титансодержащего соединения, гидротермальную обработку, промывание водой и сушку, отличающийся тем, что в качестве титансодержащего соединения используют хлорид титана состава TiCl3 и 3,5-15 М водный раствор гидроксида натрия при молярном соотношении компонентов, равном TiCl3 : NaOH = 1:(10÷40), а гидротермальную обработку осуществляют при температуре 140–160°С и избыточном давлении 360–617 кПа в течение 24-26 ч. Технический результат заключается в простоте и технологичности способа, обеспечивающего высокую чистоту конечного продукта за счет получения однофазного продукта, не содержащего примесных фаз. 1 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к способам получения оксидных материалов, в частности к способу получения титаната натрия, который может быть использован в качестве эффективного анодного материала литиевых батарей (Zhu H., Yang K., Lan H. et al. Electrochemical kinetics of Na2Ti3O7 as anode material for lithium-ion batteries // J. Electroanalyt. Chem. 2017. V. 788. P. 203–209) и натриевых источников тока (Yan X., Sun D., Jiang J. et al. Self-assembled twine-like Na2Ti3O7 nanostructure as advanced anode for sodium-ion batteries // J. Alloys Compd. 2017. V. 697. P. 208-214), фотокатализатора в ультрафиолетовом и видимом диапазоне света (Chang Y.-C., Lin J.-C., Wu S.-H. One-step growth of Na2Ti3O7 nanorods for enhanced photocatalytic activities and recyclability // J. Alloys Compd. 2018. V. 749. P. 955-960), газочувствительного сенсора для определения влажности воздуха (Zhang Y., Fu W., Yang H. A novel humidity sensor based on Na2Ti3O7 nanowires with rapid response-recovery // Sensors Actuators: B. Chem. 2008. V. 135. P. 317–321), сепаратора химического источника тока, предотвращающего замыкание электродов и обеспечивающего ионный ток в электролите (Jiang Y., Zhang P., Jin H. et al. Flexible, nonflammable and Li-dendrite resistant Na2Ti3O7 nanobelt-based separators for advanced Li storage // J. Membr. Sci. 2019. V. 583. P. 190–199).

Известен способ получения титаната натрия, включающий растворение порошка металлического титана в смеси водного раствора пероксида водорода и гидроксида аммония, взятых при соотношении 4:1, при соотношении Ti : H2O = 3 : (5÷20), с последующим добавлением к полученному раствору с концентрацией титана 0.2 М гликолевой кислоты HOOCCH2OH в молярном соотношении Ti : гликолевая кислота = 2 : 3, а затем реакционную массу сушат на масляной бане при температуре 80 - 100°С. Полученное воздушно-сухое соединение растворяют в воде, добавляют натрийсодержащее соединение (ацетат натрия CH3COONa или карбонат натрия Na2CO3, или гидроксид натрия NaOH, или оксалат натрия Na2C2O4, или нитрат натрия NaNO3) при молярном соотношении Ti : Na = 10 : 7. Полученную реакционную массу сушат на масляной бане до получения воздушно-сухого препарата, а затем отжигают при температуре 700 - 800°С в течение 6 - 10 ч в атмосфере воздуха или инертной атмосфере. (Appl.CN108455663; МПК C01G23/00, H01M10/054, H01M4/485; 2018 г.).

Недостатком известного способа получения титана натрия является сложность процесса за счет его многостадийности и использования большого количества химических реагентов.

Известен способ получения титаната натрия с использованием порошка титановой кислоты, как источника титана. Способ включает несколько стадий. На первой стадии 0.5 – 1 г поверхностно-активного вещества (цитрат натрия Na3C6H5O7 или олеат натрия NaC18H33O2, или стеарат натрия NaC18H35O2) растворяют в 30 – 70 мл воды, затем при перемешивании добавляют раствор натрийсодержащего соединения (гидроксид натрия NaOH или карбонат натрия Na2CO3, или гидрокарбонат натрия NaHCO3) с концентрацией натрия 0.12 – 0.6 М. К полученному раствору добавляют порошок титановой кислоты, содержащий натрий в молярном соотношении Na : Ti = (2.2 ÷ 2.8) : 3, перемешивая реакционную массу в течение 0.5 – 3 ч. Образующуюся суспензию белого цвета подвергают гидротермальной обработке при температуре 120 - 200°С в течение 6 - 24 ч. В результате получают осадок, который сушат с использованием лиофилизации, а затем подвергают двухступенчатому отжигу в инертной атмосфере: сначала при 300 - 400°С в течение 0.5 - 2 ч, а затем при температуре 500 - 800°С в течение 1 - 4 ч, с последующей промывкой конечного продукта водным раствором соляной кислоты HCl до нейтральной среды и его лиофильной сушкой. (Appl. CN109626415; МПК C01G23/00, H01M10/054, H01M4/485; 2019 г.).

Недостатком известного способа получения титана натрия является сложность процесса за счет его многостадийности и использования лиофилизации для сушки осадков, а также большого количества химических реагентов.

Известен способ получения титаната натрия с использованием тетрабутоксититаната (C4H9O)4Ti, как источника титана. В известном способе титанат натрия получают в три стадии. На первой стадии в термостатированную ледяную уксусную кислоту CH3COOH добавляют тетерабутоксититанат (C4H9O)4Ti в объемном соотношении CH3COOH : (C4H9O)4Ti = 50 : (1 ÷ 5), после чего проводят тепловую обработку на воздухе полученного молочно-белого раствора при температуре 120 – 200°С в течение 5 – 12 ч. В результате образуется диоксид титана TiO2 в виде геля, который центрифугируют несколько раз с добавлением воды до установления нейтральной кислотности, а затем сушат при температуре 50°С в течение 24 – 36 ч. На второй стадии проводят гидротермальную обработку реакционного раствора при температуре 180 – 250°С в течение 8 – 15 ч, полученного растворением при непрерывном перемешивании порошка свежеприготовленного диоксида титана TiO2 в 1 – 5 М водном растворе гидроксида натрия NaOH. Полученный осадок фильтруют и сушат на воздухе при температуре 80°С в течение 24 – 36 ч. На третьей стадии воздушно-сухой осадок отжигают на воздухе при температуре 500°С в течение 1 – 3 ч. (Appl. CN108134075; МПК H01M4/485; 2018 г.).

Недостатком известного способа получения титана натрия является сложность процесса за счет его многостадийности и использования большого количества химических реагентов.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ получения титаната натрия. В известном способе порошок оксида титана TiO2 при перемешивании добавляют к 0.5 - 20 М водному раствору гидроксида натрия NaOH в весовом соотношении NaOH : TiO2 = (1 ÷ 100) : 1, после чего реакционную смесь подвергают ультразвуковой обработке в течение 10 – 300 мин. Затем полученную суспензию помещают в автоклав и выдерживают при температуре 80 - 200°С в течение 0.5 - 24 ч. Конечный продукт промывают этанолом, водой и сушат на воздухе. (Appl. CN109148876; МПК C01G23/00, H01M10/54, H01M/485, H01M4/58; 2019 г.) (прототип).

Недостатком известного способа получения титаната натрия является сложность процесса за счет использования ультразвукового оборудования, не обеспечивающего, в частности полную гомогенизацию реакционной массы вследствие неравномерного воздействия ультразвуковых колебаний на обрабатываемую смесь.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать простой и технологичный способ получения титаната натрия, обеспечивающий высокую чистоту конечного продукта.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения титаната натрия, включающем получение реакционной смеси, содержащей водный раствор гидроксида натрия и титансодержащего соединения, гидротермальную обработку, промывание водой и сушку, в котором в качестве титансодержащего соединения используют хлорид титана состава TiCl3 и 3.5 - 15 М водный раствор гидроксида натрия при молярном соотношении компонентов, равном TiCl3 : NaOH = 1 : (10 ÷ 40), а гидротермальную обработку осуществляют при температуре 140 – 160°С и избыточном давлении 360 – 617 кПа в течение 24 - 26 ч.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен одностадийный способ получения титаната натрия с использованием в качестве титансодержащего реагента хлорида титана состава TiCl3 в предлагаемых авторами условиях осуществления гидротермального синтеза.

Исследования, проведенные авторами, позволили сделать вывод, что титанат натрия может быть получен простым и технологичным способом при условии использования в качестве титансодержащего соединения хлорида титана состава TiCl3. Использование хлорида титана состава TiCl3 обеспечивает возможность ведения процесса синтеза в условиях гомогенного жидкофазного взаимодействия химических ингредиентов. При этом исключается необходимость в использовании процесса гомогенизации реакционной массы. Кроме того появляется возможность формирования хорошо окристаллизованного порошка конечного продукта титаната натрия без проведения кальцинирования промежуточного продукта. Следует отметить, что дополнительный высокотемпературный отжиг, как правило, применяется для получения соединений с упорядоченной кристаллической структурой. В противном случае образуется аморфная фаза.

Авторами экспериментальным путем было установлено, что существенным фактором, определяющим состав и структуру конечного продукта является использование хлорида титана состава TiCl3 и гидроксида натрия в молярном соотношении TiCl3 : NaOH = 1 : (10 ÷ 40). При уменьшении молярного соотношения исходных компонентов реакционной массы (содержание NaOH по отношению к TiCl3 меньше, чем 10) в продуктах реакции наблюдается в качестве примеси диоксид титана TiO2. При увеличении молярного соотношения исходных компонентов реакционной массы (содержание NaOH по отношению к TiCl3 больше, чем 40) дополнительно с основной фазой Na2Ti3O7 образуются гидроксиды титанатов натрия составов Na2Ti3O6(OH)·2H2O, Na2Ti2O4(OH)2. При уменьшении температуры гидротермальной обработки ниже 140°С и избыточного давления ниже 360 кПа образуется рентгеноаморфная фаза. Также при повышении температуры гидротермальной обработки выше 160°С и избыточного давления выше 617 кПа в конечном продукте появляются в качестве примесной фазы диоксид титана TiO2.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом. Берут порошок гидроксида натрия NaOH растворяют в воде с получением 3.5 - 15 М водного раствора гидроксида натрия. Полученный раствор при перемешивании добавляют к раствору хлорида титана состава TiCl3 в молярном соотношении TiCl3 : NaOH = 1 : (10 ÷ 40). Затем гомогенную смесь подвергают гидротермальной обработке при температуре 140 – 160°С и избыточном давлении 360 – 617 кПа в течение 24 – 26 ч. Полученный продукт фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе при 50°С. Аттестацию конечного продукта проводят с помощью рентгенофазового анализа (РФА). По данным РФА полученный порошок белого цвета является титанатом натрия Na2Ti3O7 моноклинной сингонии (пр. гр. P21/m.) с параметрами кристаллической решетки a = 9.128 Å, b = 3. 803 Å, c = 8.562 Å, β = 101.60.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 20 г порошка гидроксида натрия NaOH растворяют в 50 мл воды с получением 10 М водного раствора гидроксида натрия. Полученный раствор при перемешивании добавляют к 16.4 мл раствору хлорида титана TiCl3, взятого в молярном соотношении TiCl3 : NaOH = 1 : 28. Затем гомогенную массу подвергают гидротермальной обработке при температуре 160°С С и избыточном давлении 617 кПа в течение 24 ч. Полученный продукт фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе при 50°С. По данным РФА полученный продукт однофазный, имеет состав Na2Ti3O7, кристаллизуется в моноклинной сингонии (пр. гр. P21/m.) с параметрами кристаллической решетки a = 9.128 Å, b = 3. 803 Å, c = 8.562 Å, β = 101.60. На фиг.1 представлена рентгенограмма Na2Ti3O7.

Пример 2. Берут 7.1 г порошка гидроксида натрия NaOH растворяют в 50 мл воды с получением 3.5 М водного раствора гидроксида натрия. Полученный раствор при перемешивании добавляют к 16.4 мл раствору хлорида титана TiCl3, взятого в молярном соотношении TiCl3 : NaOH = 1 : 10. Затем гомогенную массу подвергают гидротермальной обработке при температуре 150°С С и избыточном давлении 475 кПа в течение 26 ч. Полученный продукт фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе при 50°С. По данным РФА полученный продукт однофазный, имеет состав Na2Ti3O7, кристаллизуется в моноклинной сингонии (пр. гр. P21/m.) с параметрами кристаллической решетки a = 9.128 Å, b = 3. 803 Å, c = 8.562 Å, β = 101.60.

Пример 3. Берут 30 г порошка гидроксида натрия NaOH растворяют в 50 мл воды с получением 15 М водного раствора гидроксида натрия. Полученный раствор при перемешивании добавляют к 16.4 мл раствору хлорида титана TiCl3, взятого в молярном соотношении TiCl3 : NaOH = 1 : 40. Затем гомогенную массу подвергают гидротермальной обработке при температуре 140°С С и избыточном давлении 360 кПа в течение 26 ч. Полученный продукт фильтруют, промывают водой и сушат на воздухе при 50°С. По данным РФА полученный продукт однофазный, имеет состав Na2Ti3O7, кристаллизуется в моноклинной сингонии (пр. гр. P21/m.) с параметрами кристаллической решетки a = 9.128 Å, b = 3. 803 Å, c = 8.562 Å, β = 101.60.

Таким образом, авторами предлагается простой и технологичный способ получения титаната натрия, обеспечивающий высокую чистоту конечного продукта за счет получения однофазного продукта, не содержащего примесных фаз.

Способ получения титаната натрия, включающий получение реакционной смеси, содержащей водный раствор гидроксида натрия и титансодержащего соединения, гидротермальную обработку, промывание водой и сушку, отличающийся тем, что в качестве титансодержащего соединения используют хлорид титана состава TiCl3 и 3,5-15 М водный раствор гидроксида натрия при молярном соотношении компонентов, равном TiCl3 : NaOH = 1:(10÷40), а гидротермальную обработку осуществляют при температуре 140–160°С и избыточном давлении 360–617 кПа в течение 24-26 ч.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники, в частности к хирургическим инструментам. Технический результат заключается в обеспечении надежного питания для хирургического инструмента.

Изобретение относится к способу получения ионного проводника. В соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения предложен способ получения ионного проводника, включающий: смешивание, с применением растворителя, LiBH4 и галогенида лития, представленного формулой (1), LiX (1) (в формуле (1) X представляет собой элемент, выбранный из группы, состоящей из атомов галогенов); и удаление растворителя при 60-280°С.

Изобретение относится к автомобильной аккумуляторной батарее, включающей в себя модуль (2) аккумуляторной батареи, который имеет несколько расположенных в виде стопы элементов (3) аккумуляторной батареи, удерживающую структуру, окружающую модуль (2) аккумуляторной батареи, имеющую две боковые части (6), которые расположены параллельно боковым стенкам такой стопы из элементов (3) аккумуляторной батареи и на противоположных боковых стенках модуля (2) аккумуляторной батареи, расположенный под модулем (2) аккумуляторной батареи теплоотвод и расположенную между теплоотводом и нижней стороной модуля (2) аккумуляторной батареи теплопроводящую прокладку, которая термически соединяет модуль (2) аккумуляторной батареи с теплоотводом.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу получения электродного материала для использования в составе Mg-ионных батарей, удовлетворяющих экологическим требованиям, что является актуальной проблемой энерготехники.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к полностью твердотельным литиевым батареям с пониженным изменением объема, вследствие заряда и разряда, а также к способу их изготовления.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к полностью твердотельному тонкопленочному источнику электрического тока, в частности к тонкопленочному псевдоконденсатору с твердым неорганическим Li+-ионным электролитом, предназначенным для применения в различных микроэлектронных устройствах, например в сверхминиатюрных накопителях электрической энергии для медицинских устройств.

Изобретение относится к области электротехники, а именно к способу заряда вторичной аккумуляторной батареи, и может быть использовано в перезаряжаемой аккумуляторной батарее, содержащей анодный активный материал из металлического лития.

Электрод для твердотельных аккумуляторов, содержащий резистивный слой с ПТКС, и твердотельный аккумулятор, содержащий электрод. Электрод может представлять собой электрод для твердотельных батарей, содержащий слой активного электродного материала, токосъемник и резистивный слой с ПТКС, размещенный между слоем активного электродного материала и токосъемником и соприкасающийся со слоем активного электродного материала; причем резистивный слой с ПТКС содержит электропроводящий материал, изолирующее неорганическое вещество и полимер.

Изобретение относится к электрохимической энергетике, а именно к составам безводных апротонных электролитов, предназначенных для применения в химических источниках электроэнергии с отрицательными электродами на основе интеркаляционных соединений натрия и титана со структурой Nasicon.

Изобретение относится к аккумуляторной батарее с неводным электролитом. Согласно изобретению аккумуляторная батарея с неводным электролитом включает в себя положительный электрод, отрицательный электрод и раствор неводного электролита.

Изобретение относится к области синтеза мелкокристаллического титаната бария, используемого для изготовления керамических конденсаторов. Способ включает обработку смеси диоксида титана и барийсодержащего реагента в среде на основе пара воды при повышенных температуре и давлении, при этом в качестве барийсодержащего реагента используется моногидрат нитрита бария Ba(NO2)2⋅H2O и обработку реагентов ведут в среде смеси пара воды и аммиака; смесь порошков моногидрата нитрита бария и оксида титана берут в мольном отношении [Ва(NO2)2⋅Н2O]/ТiO2 от 1,0 до 1,3; в реакционном пространстве мольное отношение NH4OH/Н2О=1/5; термообработку смеси реагентов паром, содержащим аммиак, ведут в течение времени от 1 до 16 часов в изотермических условиях при температуре, выбранной в интервале от 250 до 400°С со скоростью нагрева в интервале 50-100°С/ч и давлении пара воды от 3,98 до 26,1 МПа.

Разработан активный катализатор гидрообработки, предназначенный для использования в процессах конверсии углеводородов: гидроденитрификации, гидрообессеривания, гидродеметаллирования, гидродесиликации, гидродеароматизации, гидроизомеризации, гидроочистки, гидрофайнинга и гидрокрекинга.

Изобретение относится к материалам для сцинтилляционной техники, к эффективным быстродействующим сцинтилляционным детекторам гамма- и альфа-излучений в приборах для экспресс-диагностики в медицине, промышленности, космической технике и ядерной физике.

Изобретение относится к технологии получения германата висмута Bi4Ge3O12, который может быть использован в качестве исходного материала для выращивания чистых, бездефектных монокристаллов, а также в гамма-спектроскопии, ядерной промышленности, в медицине, оптоэлектронике, физике высоких энергий.

Изобретение относится к области гидрометаллургического синтеза высокочистых веществ, в частности вольфрамата свинца PbWO4, и может быть использовано при получении монокристаллов вольфрамата свинца, используемых в качестве сцинтилляторов для высокоточной электромагнитной калориметрии частиц высоких энергий.

Изобретение относится к неорганической химии, а именно к нанотрубкам на основе сложных неорганических оксидов, которые могут быть использованы в качестве сорбентов, гетерогенных катализаторов и компонентов композитных материалов фрикционного и конструкционного назначения.

Изобретение относится к области синтеза неорганических материалов, а именно титаната бария, используемого в качестве сырья для изготовления сегнетоэлектрической керамики.

Изобретение относится к получению нанокристаллических порошков химических соединений и может быть использовано для производства радиационно-защитных, фотокаталитических, сцинтилляционных материалов.
Изобретение относится к области химической технологии выращивания кристаллов натрий-висмутового молибдата NaBi(MoO4)2 для исследования физических свойств и практического использования.
Изобретение относится к области химической технологии и касается получения кристаллов рубидий-висмутового молибдата RbBi(MoO4)2. Кристаллы RbBi(MoO4)2 выращивают из высокотемпературного раствора в расплаве из шихты, содержащей растворитель димолибдатат рубидия и тройной литий-рубидий-висмутовый молибдат LiRbBi2(MoO4)4, при соотношении последнего к димолибдату рубидия, равном 10-40: 90-60 мол.

Изобретение может быть использовано в фотонике, лазерной технике и оптоэлектронике при изготовлении лазерных фотоприемников, оптически активных слоёв фотолюминесцентных, катодолюминесцентных и электролюминесцентных устройств, амперометрических биосенсоров, хемилюминесцентных сенсоров, золь-гелевых стекол.

Изобретение относится к технологии получения титаната натрия Na2Ti3O7, который может быть использован в качестве эффективного анодного материала литиевых и натриевых источников тока, фотокатализатора в ультрафиолетовом и видимом диапазоне света, газочувствительного сенсора для определения влажности воздуха, сепаратора химического источника тока, предотвращающего замыкание электродов и обеспечивающего ионный ток в электролите. Способ включает получение реакционной смеси, содержащей водный раствор гидроксида натрия и титансодержащего соединения, гидротермальную обработку, промывание водой и сушку, отличающийся тем, что в качестве титансодержащего соединения используют хлорид титана состава TiCl3 и 3,5-15 М водный раствор гидроксида натрия при молярном соотношении компонентов, равном TiCl3 : NaOH 1:, а гидротермальную обработку осуществляют при температуре 140–160°С и избыточном давлении 360–617 кПа в течение 24-26 ч. Технический результат заключается в простоте и технологичности способа, обеспечивающего высокую чистоту конечного продукта за счет получения однофазного продукта, не содержащего примесных фаз. 1 ил., 3 пр.

Наверх