СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА ГЕКСАБОРИДА ИТТРИЯ
METHOD OF PRODUCING NANODISPERSED YTTRIUM HEXABORIDE POWDER

Изобретение относится к электрохимическому синтезу соединений иттрия и может быть использовано для получения нанодисперсного чистого порошка гексаборида иттрия, обладающего развитой поверхностью, полупроводниковыми свойствами. Гексаборид иттрия применяется в качестве катода для мощных генераторных устройств, успешно заменяя металлические, а также в разборных системах различных электронных устройств.
Известен способ получения гексаборида иттрия прямым синтезом из иттрия и бора [Lundstrom Т. Structural studies of the solid solubility of transition metals in β-rhombohedral boron. - J. Less-Common Metals. 1973, vol.6, p.299-305]. Недостатком этого способа является низкий выход продукта. Способ термического восстановления оксидов и хлоридов иттрия и бора гидридом лития [Камарзин А.А., Соколов В.В., Зеленин Ю.М., Стонога Ю.А. Способ получения боридов редкоземельных металлов. Патент №2123975] характеризуется высокими температурами процесса, кроме того, получается крупнозернистые продукты.
Наиболее близким к предлагаемому методу является способ получения боридов редкоземельных металлов и иттрия путем электролиза расплава, содержащего криолит и бораты натрия с добавкой гидроксида и карбоната натрия по патенту US 3902973 А, кл. С25В 1/00, 1975. Температура процесса 900-1100°С. Недостатком прототипа является более высокая температура, низкая скорость синтеза, а также крупнозернистые частицы продукта.
Задачей, поставленной авторами изобретения, является повышение дисперсности порошка, повышение скорости процесса и чистоты целевого продукта, а также снижение температурных режимов процесса.
В основе ВЭС нанопорошков гексаборидов иттрия лежат многоэлектронные электрохимические процессы совместного выделения иттрия и бора на катоде и их последующим взаимодействием на атомарном уровне с образованием наноразмерных порошков. В виду того, что взаимодействие компонентов на катоде происходит практически на атомарном уровне (кластеров), то уменьшение размеров наночастиц твердосплавной композиции ведет к увеличению доли поверхностной энергии и, следовательно, к снижению температуры (практически на 200-400°С) взаимодействия иттрия с компонентами расплава с образованием гексаборидов. Возможность применения расплавленных солей для получения редкоземельных элементов и их сплавов подтверждена многими исследователями.
Процесс проводится в трехэлектродной ячейке в электропечи при 700-750°С. Анодом и одновременно контейнером для расплава служит стеклоуглеродный тигель. В качестве электрода сравнения используется платиновый электрод, скрученный в спираль, площадь которого более чем на порядок превышал площадь катода или стеклоуглеродный электрод. Рабочий электрод - вольфрамовый стержень. Синтез происходит в атмосфере очищенного и осушенного аргона, ячейка закрыта герметично.
2
При достижении рабочей температуры 700-750°С в расплав фонового электролита - смесь хлоридов натрия и калия - добавляют хлорид иттрия, а затем фторборат калия. Электролиз осуществляют в атмосфере аргона в гальваностатическом режиме при плотности катодного тока 2,5-5,0 А/см. Выход по току 85-90%.
2
Нанодисперсные порошки гексаборида иттрия получаются при плотностях тока 2,5-5,0 А/см. При низких концентрациях фторбората получается диборид иттрия. Если концентарация фторбората слишком высокая, то в процессе электролиза получается смесь различных боридов, и свободный бор.
Процесс электросинтеза можно представить в виде последовательных стадий:
- выделение более электроположительного компонента (бор);
- выделение более электроотрицательного компонента (иттрий) на предварительно выделенном боре;
6
- взаимная диффузия иттрия и бора с образованием соединения YB.
Пример 1. Процесс получения нанодисперсного порошка гексаборида
2
4
6
2
иттрия осуществляют в расплавленной смеси KCl-NaCl. Температура 700°С. Катод - вольфрамовый стержень диаметром 0,4 см. Анод - стеклоуглеродный тигель. Плотность тока 2,5 А/см. Продолжительность электролиза составляет 40 мин, после чего из расплава вынимают боридно-солевую грушу. После полного остывания до комнатной температуры боридно-солевую грушу отмывают дистиллированной водой, и раствором 1 н. NHOH. После чего порошок борида иттрия высушивают в сушильном шкафу при температуре 150°С. По данным рентгенофазового анализа катодный осадок состоит из гексаборида иттрия YB и небольшого количества диборида иттрия YB до 10%. По данным сканирующего зондового микроскопа размер частиц 5-40 нм.
KCl - NaCl.
2
4
6
.
Пример 2. Процесс получения нанодисперсного порошка гексаборида иттрия осуществляют в расплавленной смеси Температура 700°С. Катод - вольфрамовый стержень диаметром 0,4 см. Анод - стеклоуглеродный тигель. Плотность тока 3,5 А/см. Продолжительность электролиза составляет 30 мин, после чего из расплава вынимают боридно-солевую грушу. После полного остывания до комнатной температуры боридно-солевую грушу отмывают дистиллированной водой, и раствором 1 н. NHOHПосле чего порошок гексаборида иттрия высушивают в сушильном шкафу при температуре 150°С. По данным рентгенофазового анализа катодный осадок состоит из гексаборида иттрия YB. Выход по току 87-92%. Размер частиц по данным сканирующего зондового микроскопа - 1-25 нм.
.
2
2
4
6
Пример 3. Процесс получения нанодисперсного порошка гексаборида иттрия осуществляют в эквимольном расплаве KCl-NaClТемпература 750°С. Катод - вольфрамовый стержень диаметром 0,4 см. Анод - стеклоуглеродный тигель. Плотность тока 5,0 А/см. Продолжительность электролиза составляет 40 мин, после чего из расплава вынимают боридно-солевую грушу. После полного остывания до комнатной температуры боридно-солевую грушу отмывают дистиллированной водой, и раствором 1 н. NHOH. После чего порошок гексаборида иттрия высушивают в сушильном шкафу при температуре 150°С. По данным рентгенофазового анализа катодный осадок состоит из гексаборида иттрия YB. Выход по току 80-83%. Удельная поверхность порошка - 41,0-43,5 м/г. Размер частиц по данным сканирующего зондового микроскопа - 0,5-10 нм.
Технический результат изобретения заключается в возможности получения нанодисперсного порошка гексаборида иттрия с размерами частиц 0,5-40 нм и в повышении скорости получения (синтеза) в два раза (продолжительность электролиза 30-40 мин), и чистоты целевого продукта, а также снижение температурных режимов процесса.