97
ПЕРСПЕКТИВЫ СОЗДАНИЯ КЕРАМИКИ ДЛЯ СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
Анисимов В.В., Макаров Н.А., Абдурахимова А.У.
anisimov_val@mail.ru, nikmak-ivmt@mail.ru, abazur87@mail.ru
филиал РХТУ им. Д.И. Менделеева в г. Ташкенте (Республика Узбекистан), Ташкент, Узбекистан
Два важных полупроводника n-типа, ZnO и SnO
2
, привлекают значительное внимание
благодаря своим уникальным свойствам и потенциальным возможностям применения в
качестве варисторов [1], газочуствительных пленок [2], анодного материала в литий-ионных
батареях [3], фотокатализаторах и люминесцентных материалах [4], солнечных элементах
[5]. Данные оксиды со стабильной и большой запрещенной зоной активно используются за
счет невысокой стоимости, высокой чувствительности и стабильности электрофизических
параметров. В литературе сообщается об образовании двух соединений в системе ZnO –
SnO
2
, а именно ортостанната (Zn
2
SnO
4
) и метастанната цинка (ZnSnO
3
) [6].
Материалы в системе ZnO – SnO
2
могут быть синтезированы различными методами,
такими как золь-гель [4], твердофазный синтез [6], ион-обменная реакция [7], воздушно-
плазменное напыление [8], механоактивация [9] и другими. Имеются различные сведения о
температурах образования Zn
2
SnO
4
, обусловленные методиками проведения синтеза. По
результатам многих исследований особенностей получения ортостанната цинка путем
твердофазной реакции можно сделать вывод, что оптимальная температура синтеза лежит в
пределах от 800 до 1200 °C [6, 10, 11] в зависимости от времени выдержки, однако
структурные и электрофизические свойства таких материалов отличаются друг от друга.
Использование модифицирующих добавок как средства управления свойствами
материала хорошо зарекомендовало себя в технологии керамики. Небольшие количества
соответствующих добавок обычно используются для контроля удельного сопротивления,
механического или электрического поведения. Однако в таком материале как ортостаннат
цинка исследования воздействия модификатора на свойства немногочисленны, поэтому
четкого влияния природы добавки на процессы уплотнения и свойства материалов в
настоящий момент не выявлено. В настоящей работе проводится исследование керамики в
бинарной системе ZnO – SnO
2
с добавками MnO и NiO концентрациями 1,0; 2,5; 5,0; 7,5 и
10,0 мол. %.
С целью установления возможности синтеза плотной керамики в системе ZnO – SnO
2
были синтезированы модельные составы на основе промышленно произведенных оксидов
олова и цинка твердофазовым методом.
Проведенные предварительные теоретические расчеты, позволили предположить, что
осуществление замещения ионами марганца и никеля ионов олова и цинка в
кристаллической решетке ортостанната цинка теоретически возможно. При этом катионы
марганца и никеля способны замещать катионы цинка в октаэдрической и тетраэдрической
пустотах и катионы олова в октаэдрической пустоте.
Для всех составов была выбрана температура синтеза 950 °C, поскольку при более
низких температурах синтеза в системе наблюдались фазы исходных оксидов. Обжиг
проводили в печи с хромит-лантановыми нагревателями при температурах 1200, 1300, 1400 и
1450 °C и выдержкой 2 часа при конечной температуре. Максимальной плотности (0,0 %)
удается добиться при температуре обжига 1450 °С и содержании добавки в 5 мол. %.
Результаты расчета рентгеновской плотности твердых растворов на основе ортостанната
цинка показывают, что при температурах ниже 1400
С и содержаниях модификатора менее
5 мол. % твердые растворы не образуются, выделяется вторая фаза в виде оксида марганца
либо фазы, им обогащенной.
Для материалов, модифицированных оксидом никеля, нулевой открытой пористости
добиться не удается, несмотря на образование твердых растворов при температуре обжига
1450 °С и содержании модифицирующей добавки
в 5 мол. %. Вероятно, в данных условиях
необходимо увеличение температуры обжига до 1500-1550
C.
98
Дальнейшие исследования с целью установления возможности синтеза плотной
керамики в системе ZnO – SnO
2
проводили на модельных составах на основе порошков,
полученных из водных полимерно-солевых систем с использованием СВЧ-излучения. Ранее
произведенные эксперименты показали, что оптимальными исходными веществами для
синтеза ортостанната цинка методом полимерно-солевого гидролиза являются хлорид олова
(IV) и нитрат цинка, температура синтеза 900
C [12].
Максимальной плотности керамики удается добиться при температуре обжига 1400
С и
содержании модифицирующей добавки в 5 мол. %. Твердые растворы образуются при
температуре обжига 1300
C и добавки количеством в 5 мол. %. Аналогичная ситуация
наблюдается для материалов, модифицированных оксидом никеля.
Таким образом, введение 5 мол. % оксида марганца или оксида никеля в ортостаннат
цинка, полученный методом полимерно-солевого гидролиза, позволяет получать однофазные
твердые растворы при температуре обжига 1300
С, а плотную керамику, перспективную для
использования в солнечной энергетике – при температуре обжига 1400
С. Специальные
химические методы подготовки порошков позволяют снизить температуру синтеза твердых
растворов и спекания керамики как минимум на 100
С.
Список использованных источников
1.
Mihaiu, S. S., Toader, A., Atkinson, I., Mocioiua, O.C., Hornoiua, C., Teodorescub, V.S.,
Zaharescu, M. Advanced ceramics in the SnO
2
–ZnO binary system // Ceramics International. 2015.
V. 41. № 3. P. 4936-4945.
2.
Белоусов, С.А., Носов, А.А., Рембеза, С.И., Кошелева, Н.Н. Синтез и
электрофизические свойства газочувствительных пленок Zn
2
SnO
4
// Электроника и
нанотехнологии. 2016. № 10. С. 19-24.
3.
Hou, X., Cheng, Q., Bai, Y., Zhang, W.F. Preparation and electrochemical characterization
of Zn
2
SnO
4
as anode materials for lithium ion batteries // Solid State Ionics. 2010. V. 181. №13-14.
P. 631-634.
4.
Tsaia, M.-T., Changb, Y.-S., Liua, Y.-C. Photocatalysis and luminescence properties of
zinc stannate oxides // Ceramics International. 2017. V. 43. P. S428-S434.
5.
Sadegh, F., Akin, S., Moghadam, M., Mirkhani, V., Ruiz-Preciado, M.A., Wang, Z.,
Tavakoli, M.M., Graetzel, M., Hagfeldt, A., Tress, W. Highly efficient, stable and hysteresis‒less
planar perovskite solar cell based on chemical bath treated Zn
2
SnO
4
electron transport layer // Nano
energy. 2020. V. 75. №105038.
6.
Ivetic, T.B., Fincur, N.L., Ðacanin, Lj.R., Abramovic, B.F., Lukic-Petrovic, S.R. Ternary
and coupled binary zinc tin oxide nanopowders: Synthesis, characterization, and potential
application in photocatalytic processes // Material Research Bulletin. 2015. V. 62. P.114-121.
7.
Fakhrzad, M., Navidpor, A.H., Thari, M., Abbasi S. Synthesis of Zn
2
SnO
4
nanoparticles
used for photocatalytic purposes // Mater. Res. Express. 2019. V. 6. № 9.
8.
Navidpour, A.H., Fakhrzad, M. Photocatalytic activity of Zn
2
SnO
4
coating deposited by air
plasma spraying // Applied Surface Science Advances. 2021. V. 6. № 100153.
9.
Nikolic´, N., Srec´kovic´, T., Ristic´The, M.M. Influence of mechanical activation on zinc
stannate spinel formation // Journal of the European Ceramic Society. 2001. V. 21. № 10-11. P.
2071-2074.
10.
Vien, L.T.T., Nguyen, T., Manh, T.T., Nguyen, V.D., Nguyen, D.H., Viet,D.X., Quang,
N.V., Trung, D.Q., Huy, P.T. A new far-red emission from Zn
2
SnO
4
powder synthesized by
modified solid-state reaction method // Optical Materials. 2020. V. 100. P. 109670.
11.
Ivetic, T.B., Ding, Y., Cvetinov, M., Petrovci, J., Klisuric, O.R., Lukic-Petrovic, S.R.
Er
3+/
Yb
3+
activated up-conversion luminescence of zinc-tin-oxide-based powders // Ceram. Int.
2021. V. 47. № 12. P. 17778-17783.
12. Анисимов, В.В., Сапрыкин, А.В., Артемкина, И.М., Макаров, Н.А. Влияние
анионного состава исходных солей на получение ортостанната цинка золь-гель методом //
Стекло и керамика. 2021. № 4. С. 20-25.
