Данные просвечивающей электронной микроскопии двойного фосфата натрия-церия (IV), а также изображение его кристаллической структуры
Ученые химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова, Института общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН и Национального исследовательского центра «Курчатовский институт» опубликовали результаты своей работы в высокорейтинговом журнале Chemosphere. Статья Unexpected Nanoscale CeO2 Structural Transformations Induced by Ecologically Relevant Phosphate Species посвящена анализу взаимодействия наночастиц диоксида церия с водорастворимыми фосфатами, в результате которого образуется ранее неизвестное нерастворимое соединение – двойной фосфат натрия-церия(IV). Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (грант № 22-73-10056).
Диоксид церия (CeO2), как и другие соединения этого редкоземельного металла, широко используется в современной технике – на его основе создаются абразивы для микроэлектроники, катализаторы дожига угарного газа, твердотельные топливные элементы и другая высокотехнологичная продукция. В последнее время в научной литературе также широко обсуждаются перспективы использования диоксида церия в составе бактерицидных, ранозаживляющих и солнцезащитных композиций.
Церий широко распространен в природе – например, по имеющимся оценкам, в земной коре его в 3–4 раза больше, чем свинца. В то же время из-за особенностей химических свойств он не имеет собственных минералов и относится к рассеянным элементам. Основными промышленными источниками церия являются некоторые минералы (в том числе сложные оксиды), имеющие магматическое или гидротермальное происхождение, то есть сформировавшиеся в условиях высоких температур и обладающие очень низкой растворимостью в воде.
Возможно ли взаимодействие малорастворимых соединений церия с водными растворами солей при обычных условиях? Российские ученые поставили прецизионный и очень длительный лабораторный эксперимент и подробно изучили, как диоксид церия взаимодействует с растворами фосфатов – солей, имеющих важнейшее промышленное и биохимическое значение. Более двух лет они наблюдали за трансформациями оксида церия и тщательно фиксировали концентрацию церия в растворе. Результаты показали, что некоторые фосфатные соединения церия (IV), которые ранее синтезировали искусственным образом и исключительно при высоких температурах, способны образовываться и в условиях, приближенных к природным. Примечательно, что примеры известных к настоящему времени стабильных фосфатов церия(IV) можно пересчитать по пальцам.
Работу комментирует Татьяна Плахова, автор исследования и сотрудник химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова: «Мы показали, что в присутствии фосфат-ионов в растворе диоксид церия способен превращаться в новое, ранее неизвестное соединение, причем скорость этого превращения зависит от размера частиц оксида. Обнаруженный нами новый двойной фосфат натрия-церия(IV) обладает высокой термодинамической устойчивостью».
Особенностью проведенного исследования стало использование самых передовых методов физико-химического анализа. Комбинация методов, основанных на использовании синхротронного излучения, – прецизионной рентгеновской дифракции и анализа тонкой структуры спектров рентгеновского поглощения – позволила детально охарактеризовать новое кристаллическое соединение церия со сложной анизотропной структурой. Исследователи установили, что превращение CeO2 в новое соединение происходит не по классическому механизму растворения-перекристаллизации, а включает в себя ориентированное сращивание кристаллитов и рост новой фазы на поверхности оксидных частиц.
«Диоксид церия – это поистине уникальный материал, и области его применения будут только расширяться, при этом крайне важно понимать, как он взаимодействует с компонентами природных систем в долгосрочной перспективе. В этом исследовании мы снова подтвердили, что химические свойства CeO2 зачастую не укладываются в рамки классических представлений, а описание поведения малорастворимых соединений в водных растворах требует привлечения новых и оригинальных концепций», – прокомментировал один из авторов работы, доктор химических наук, член-корреспондент РАН Владимир Иванов.
Результаты проведенного исследования не только открывают новые грани неорганической химии соединений церия, но и способствуют пониманию поведения в природных условиях химических аналогов церия – радиоактивных тория, урана, нептуния и плутония. Полученные знания важны с точки зрения экологического и радиационного мониторинга, прогнозирования поведения соединений этих элементов в различных средах, а также для разработки новых неорганических материалов.
Ссылка: https://authors.elsevier.com/a/1k44mAOMA5H4j
Информация и иллюстрация предоставлены пресс-службой химического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова
Источник иллюстрации: коллектив исследователей
