Structure, NMR spectra, ionic mobility and phase transitions in complex fluoride zirconates

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

The brief review presents the results of ion-transport properties studies of zirconium fluoride complexes with alkali cations and ammonium. The relationship between the structure (dimensionality) of the compound, the degree of doping and the nature of the dopant metal, the presence and nature of phase transitions, the shape of the NMR spectra, ionic mobility and conductivity of these compounds is considered.

Full Text

Введение

Поиск материалов, предназначенных для применения в первичных и вторичных химических источниках тока (ХИТ), является одним из наиболее востребованных направлений исследования на сегодняшний день. Согласно термодинамическим расчетам, твердотельные фторидные ХИТ могут обладать большей удельной энергоемкостью, чем оксидные или сульфидные [1], являясь в некотором смысле антиподами гальванических элементов на основе лития, обладающего наименьшим стандартным электродным потенциалом. В этой связи сохраняется интерес к поиску фторид-ионных проводников, которые могут быть использованы в конструкции химических источников тока, химических сенсоров, суперконденсаторов и других устройств [1]. Интересными и редкими исключениями среди ионных проводников являются координационные соединения, в которых перенос ионов осуществляется вдоль цепи ковалентных связей. Как отмечается, например, в [2, 3], фтор, образующий ковалентную связь, зачастую менее активно участвует в диффузионном движении. Для (NH4)2ZrF6 был предложен механизм такого переноса, заключающийся в сочетании конформационных переходов, происходящих в координационных полиэдрах соединения, и обмене фторид-лигандом между соседними полиэдрами. Эффект приводит к появлению ионной электропроводности, достигающей 1,3·10-2 См/см при 420 K. Поскольку элемент, участвующий в ковалентной связи, как правило, обладает высокой анизотропией магнитного экранирования, развитие конформационных движений и трансляционной диффузии сопровождается характерными изменениями вида спектров ЯМР 19F.

Цирконий, взаимодействуя со фтором, образует целую гамму различных комплексов мономерного и полимерного строения [4]. Координационное число (КЧ) циркония во фторидах принимает значения от 6 до 8, причем последнее встречается наиболее часто [5]. Геометрия координационного полиэдра циркония в большинстве случаев может быть отнесена к одной из 8 характерных предельных форм [5] или быть некоторой промежуточной.

Атом фтора во фторидоцирконатах может выступать в качестве связующего или «мостикового» и образовывать две связи Zr-F-Zr, близкие по длине. Встречаются также и тройные мостиковые связи, когда атом фтора является общим для трех полиэдров циркония. Объединение полиэдров циркония происходит по общим вершинам, ребрам или граням. Степень связи полиэдров между собой зависит от состава соединения – отношения числа атомов фтора к числу атомов циркония в комплексном анионе, которое может быть положено в основу систематики кристаллических структур фтороцирконатов и фторогафнатов [6]. В большинстве этих структур фтор входит в координацию атомов циркония, и отношение F:Zr, взятое по брутто-формуле, совпадает с отношением, положенным в основу классификации в [6], однако имеется и ряд исключений. Катион в структуре выступает как агент, приводящий к деполимеризации соединения, и, таким образом, с увеличением отношения F:Zr имеется тенденция к переходу от каркасных структур к слоистым, цепочечным, олигомерным и, наконец, к островным [6–8]. Интересно, что тот же эффект наблюдается и для смешанно-лигандных соединений – введение в структуру ионов фтора приводит к понижению ее размерности [9]. Можно заметить, что полностью размерность структуры указанными отношениями не определяется – так, структуры (NH4)2ZrF6 и K2ZrF6 являются цепочечными, а структуры гексафторидоцирконатов лития, рубидия и цезия – островными. Структура фтороцирконата, несомненно, определяется количеством и ионными радиусами внешнесферных катионов, приходящихся на один атом циркония, а также наличием гетеролигандов, в качестве которых могут выступать кислород или молекулы воды.

В данном обзоре приведены сведения об известных на сегодня ионпроводящих кристаллических фтористых соединениях циркония. Внимание в основном было направлено на описание строения, наличия и особенностей фазовых переходов, характера ионной подвижности и электропроводности, достигнутой для данных соединений.

Островные соединения

Фторидоцирконаты островного строения могут представлять интерес как модельные соединения для экспериментального изучения химической связи в комплексном анионе (методами ЯМР и колебательной спектроскопии) с целью получения данных, которые могут быть использованы при анализе кристаллических и аморфных соединений более сложного строения. Определенную ценность представляет анализ условий для развития реориентационных движений комплексных анионов, проделанный в [10]. Описаны особенности динамики октаэдрических ионов в M2AF6, где M – щелочной металл, а A – Si, Ge, Sn(IV), Zr. Результаты подобного анализа могут быть использованы для выбора направления синтеза новых суперионных проводников, поскольку условия для вращения аниона представляются более слабыми по сравнению с условиями для анионной диффузии и могут рассматриваться как необходимые для последней. Одним из направлений поиска новых проводников может являться получение соединений с органическими азотсодержащими катионами, энергия активации реориентаций комплексных анионов в которых значительно понижена. Так, в работе [11] при помощи РСА, ЯМР 1H, 19F, ЯМР-релаксометрии исследовались строение и ионная подвижность гептафтороцирконата гуанидиния. Было установлено, что ионы ZrF73– переходят к изотропному вращению при 200 К, что соответствует энергии активации этого движения 0,32 эВ. Значение, определенное из релаксационных измерений, составляет 0,40 эВ. Вращение характерно также и для ионов гуанидиния – соответствующая энергия активации равна 0,50 кДж/моль. Ранее в аналогичном исследовании гексафтороцирконата гуанидиния соответствующие энергии составили 0,47 и 0,42 эВ [12].

Следует отметить, что диссоциация ZrF62– (отщепление от него F) представляется достаточно маловероятной, учитывая результаты квантово-механического расчета устойчивости фторцирконатных ионов [13]. В соответствии с расчетами ZrF62– является наиболее устойчивым из ионов этого типа, тогда как в соединениях M3ZrF7 (M = (NH4), K, Rb, Tl) диссоциации менее устойчивого иона ZrF73– не наблюдается как минимум до 500 К (см. ниже). Вместе с тем переход в твердых растворах в системе PbF2-ZrF4 всех фторид-ионов к диффузии [14] указывает на то, что при определенных условиях такая диссоциация является возможной. Другим аргументом о возможности диссоциации фтороцирконатных ионов могут служить результаты изучения скорости лигандного обмена от вида химической связи, полученные при помощи ЯМР растворов [15].

Гексафтороцирконат рубидия относится к тригональной сингонии [16] и изоструктурен Cs2ZrF6, Rb2TiF6, Cs2TiF6. Координационным полиэдром циркония в структуре Rb2ZrF6 является искаженный октаэдр. Октаэдры отделены друг от друга ионами рубидия, таким образом, эта структура представляет собой пример предельной деполимеризации [17] во фтороцирконате. При температурах 743 и 773 K в Rb2ZrF6 и Cs2ZrF6 соответственно имеется полиморфный фазовый переход [18–21] в кубическую модификацию, ионная проводимость которой в случае соединения рубидия выше 10–2 См/см, хотя тригональная фаза при 420 К имеет проводимость лишь 1,8×10–6 См/см [22]. Плавление Rb2ZrF6 происходит при температуре 888 K (968 К для Cs2ZrF6), таким образом, соединение можно отнести к высокотемпературным суперионным проводникам.

Характер температурной трансформации спектров ЯМР 19F Rb2ZrF6 и Cs2ZrF6 в температурном интервале 350–440 K [23] указывает на развитие изотропных реориентаций октаэдрических анионов. Интересно, что переход к этому типу движений происходит при близких температурах у обоих соединений, хотя энергия активации вращения комплексных ионов в них различна (более высока у соединения цезия) [24]. После участка с постоянной шириной линии ЯМР 19F, при температуре 490–560 и 650 К в соединениях рубидия и цезия соответственно начинается сужение и переход к лоренцевой форме линии ЯМР 19F, интерпретируемые как проявление трансляционно-диффузионных анионных движений, хотя вид подвижных анионов (F или ZrF62–) в работе не определен. По температуре начала сужения линии в соответствии с формулой Уо–Федина определена энергия активации трансляционной диффузии анионов, равная 0,90 и 1,08 эВ. Радиус комплексного аниона ZrF62– или ZrF73– представляется слишком большим для его движения как целого. Диффузия ионов рубидия и цезия при температурах выше 650 K наблюдалась в их гексафторотитанатах [25]. Поэтому не исключено, что второй этап сужения линии ЯМР 19F в [23] обусловлен, как и в случаях гептафтороцирконатов и гексафторотитанатов, движением катионов. В таком случае становится легко объяснима более высокая температура второго этапа сужения линии ЯМР у соединения цезия, обладающего более высокой поляризуемостью, но большим радиусом.

Кривые температурной зависимости T1e соединений M2ZrF6, M2HfF6 (M = Rb, Cs) имеют два минимума, отнесенных в [22] к реориентационному движению комплексных анионов и трансляционному движению ионов фтора. Кривая спин-решеточной релаксации T1 имеет один минимум, соответствующий реориентации комплексных анионов. На основании близких значений энергии активации вращения октаэдров ZrF62–, определенной при помощи ЯМР, и энергии активации диффузии, полученной из электрофизических измерений, был предложен следующий механизм диффузии ионов фтора: ион совершает перескок в соседний полиэдр, в котором имеется вакансия. Затем полиэдр с образовавшейся вакансией совершает поворот. Процесс повторяется, и таким образом происходит вакансионная диффузия по всему кристаллу. Существенной разницы в температурном поведении соответствующих соединений циркония и гафния в работе не выявлено. Влияние внешнесферного катиона, напротив, значительно и заключается в появлении диффузионных движений у соединений рубидия при более низких температурах, чем у соединений цезия. К улучшению диффузионных свойств у Rb2Zr(Hf)F6 приводит изменение обоих параметров активационного процесса – τ0 и Ea, определенных из соответствующего участка релаксационной кривой (T1e). Аналогичная картина наблюдается и при анализе значений электропроводности этих соединений, вероятно, являясь проявлением правила Мейера–Нелделя [26].

Из соединений циркония островного строения наиболее перспективны как ионные проводники соединения структуры (NH4)3ZrF7, включающие кроме аммонийной соли калия, рубидия [27] и таллия [28]. Комплексный анион представляет собой пентагональную бипирамиду, а симметрия соединения относится к группе Fm3m [29] или F23 [30]. По данным [29], одна из двух неэквивалентных позиций аммония в структуре (NH4)3ZrF7 ориентационно разупорядочена. Также разупорядочена и позиция циркония. В работах [31–33] предпринимались попытки изучить природу этой разупорядоченности. При помощи РФА было показано, что (NH4)3ZrF7 и K3ZrF7 претерпевают фазовые переходы из низкотемпературной орторомбической в высокотемпературную кубическую модификацию при –60 и –19 ºC (213 и 254 К) соответственно, причем температурная область, соответствующая переходу, является довольно широкой, занимая 20–30 ºC [34]. В работе [35] в интервале 238–280 К было выявлено пять различных полиморфных модификаций соединения. Особенности фазовых переходов в гептафтороцирконатах продолжают являться объектом исследований [30, 35, 36].

При исследовании методом ЯМР широких линий [37–39] было обнаружено, что второй момент спектров 1H и 19F соединения (NH4)3ZrF7 начинает уменьшаться при 150–180 K, что связано с реориентациями полиэдров NH4+ и ZrF73–. Из температурной зависимости изменения второго момента с применением варианта формулы Гутовского–Пейка была определена энергия активации вращения анионов, оказавшаяся равной 0,20 и 0,19 эВ для ZrF73– и HfF73– соответственно [39]. Из приводимого в [39] рисунка видно, что температурные интервалы, в которых происходят основные изменения второго момента, разнесены не менее чем на 100 ˚С, что соответствует разнице энергий активации 0,16 эВ. В публикации [40] отмечается, что температуры начала сужения протонных спектров (NH4)3ZrF7 слишком высоки для того, чтобы отнести их к реориентации ионов аммония, и спектральные изменения ниже 125 K связываются со стабилизацией водородных связей. В качестве альтернативного объяснения двухэтапного изменения ширины спектров рассматриваемых соединений можно предположить, что первый этап изменения спектров обусловлен развитием реориентаций ионов ZrF73–, а на втором этапе ионы начинают испытывать конформационные («флукциональные» [41, 42]) переходы, при которых ион фтора последовательно занимает все позиции в комплексном анионе.

Наиболее низкой энергией активации движения фтора в этой группе соединений обладает гептафтороцирконат таллия [28]. При температуре 270 К полуширина спектра фтора сужается до 100 Гц, а его форма становится лоренцевой, что соответствует возникновению трансляционной диффузии фтора. Энергия активации этого процесса, определенная из температуры сужения линии ЯМР 19F, составила 0,47 эВ.

Анализ значений проводимости соединений M3ZrF7, проделанный в [26], показывает, что наибольшее влияние на нее оказывает соотношение ионного радиуса и поляризуемости щелочного катиона или аммония. В соответствии с этим наибольшая электропроводность получена у соединения таллия (6,8·10–4 См/см при 415 K [26] или 3,5·10–3 См/см при 200 ºC [43]), а наименьшая – для соединения калия (3,1·10–9 См/см при 415 K).

В соответствии с гипотезой о механизме «гребного колеса» вращение комплексного аниона ZrF73– в рассматриваемой группе соединений способствует повышению подвижности в катионной подрешетке. Для проверки этой гипотезы в работе [26] были рассмотрены твердые растворы состава K3-xMxZrF7 (M = NH4, Tl; 0 ≤ x ≤ 3; x – целое), изоструктурные (NH4)3ZrF7. Возможность трансляционной анионной диффузии в работе исключалась. Для соединений с аммонием отмечены широкие минимумы релаксационных кривых фтора и водорода в области 190 К. Более выраженный минимум, связываемый в [26] с вращением иона ZrF73–, наблюдается на кривых спин-решеточной релаксации фтора соединений с аммонием и калием при 250–270 К, а у Tl3ZrF7 в этой области температур наблюдается резкое изменение величин релаксации. Таким образом, совпадение температур минимумов на релаксационных кривых указывает на то, что релаксации 19F и 1H коррелированы и обусловлены наиболее быстрым движением, т.е. вращением катиона NH4 и, по мнению авторов, доказывает существование предлагаемого механизма катионной диффузии. Более ранняя интерпретация [44] связывает изменение угла наклона релаксационной кривой с фазовым переходом.

Результаты исследований изоструктурных (NH4)3ZrF7 твердых растворов (NH4)2,4Rb0,6ZrF7, (NH4)2,7Rb0,3ZrF7 и (NH4)2,75Cs0,25ZrF7 указывают на заметные отличия в динамическом состоянии ионов в последних по сравнению с исходным соединением [45, 46]. Как можно видеть из рис. 1, этап развития реориентаций ионов ZrF73– завершается для твердых растворов раньше по сравнению с исходным соединением. Аналогично начало трансляционных движений иона аммония и переход спектров к диффузионному сужению происходит для твердых растворов при более низких температурах.

 

Рис. 1. Спектры ЯМР 1H исходного и допированного гептафтороцирконата аммония при вариациях температуры

 

При охлаждении соединений от 420 до 300 K наблюдается гистерезис формы, ширины и второго момента спектров ЯМР 1H, 19F. Это свидетельствует о том, что при фазовом переходе (выше 380 K) образуется метастабильная β-модификация гептафтороцирконата аммония–рубидия (цезия). Модификация характеризуется пониженными температурами начала соответствующих этапов диффузионных движений. Высокотемпературные фазы исследованных соединений нестабильны и по истечении максимум двух суток переходят в исходную модификацию.

Только для стехиометрического гептафтороцирконата аммония наблюдается выход температурных зависимостей второго момента спектров ЯМР 19F на плато ниже 160 K, что свидетельствует о существенном положительном влиянии замещений в катионной подрешетке на подвижность комплексных анионов. Переход ионов ZrF73– от жесткой решетки к конечной форме ионных движений условно можно разделить на два этапа. На первом этапе (160–230 K) происходит сужение резонансной линии и уменьшение второго момента спектров ЯМР 19F до промежуточной величины ~9–5,5 Гс2, сохраняющейся при дальнейшем повышении температуры до 270–300 K. Одним из объяснений наличия этого плато на температурной зависимости второго момента является предположение о том, что промежуточным этапом развития реориентаций полиэдров ZrF73– является этап реориентаций вокруг оси пятого порядка. Трансформация спектра ЯМР 19F на втором этапе (300–420 K) связывается с переходом ионов ZrF73– от анизотропных реориентаций к изотропным (Ea ≈ 0,47 эВ) и представляет собой дальнейшее сужение резонансной линии (до 3,3–2,3 кГц).

Для соединения Cs0,25(NH4)2,75ZrF7 форма линии ЯМР 19F изменяется практически непрерывно. Это позволяет предположить, что этап реориентаций комплексных анионов в этом соединении наступает раньше и развивается одновременно с трансляционной диффузией ионов аммония.

Хотя данные ЯМР указывают на значительное понижение энергии активации трансляционных движений ионов аммония в рассматриваемых твердых растворах, следует учитывать тот факт, что замещение в катионной подрешетке наряду с увеличением разупорядоченности может приводить и к уменьшению числа мобильных носителей заряда.

Установлено, что соединения состава (NH4)xRb3-xZrF7 обладают относительно высокой ионной проводимостью (σ ≥ 5·10–5 См/см при 420 K). Величина проводимости возрастает с ростом концентрации ионов аммония (рис. 2). Увеличение концентрации ионов рубидия приводит к исчезновению фазового перехода и падению проводимости. Добавление более крупных катионов цезия приводит к увеличению параметра решетки, и, несмотря на уменьшение числа носителей заряда, облегчает протекание ФП и ионного транспорта. Электропроводность соединений Cs0,25(NH4)2,75ZrF7 и Rb0,3(NH4)2,7ZrF7 при высоких температурах превосходит электропроводность (NH4)3ZrF7.

 

Рис. 2. Зависимость величины ионной проводимости σ от состава катионной подрешетки твердых растворов (NH4)xRb3–xZrF7

 

Структура Li4ZrF8 представляет собой бесконечные двойные цепи, состоящие из октаэдров LiF6, связанных по ребру [10]. Цепи формируют гофрированные бесконечные плоские слои, между которыми находятся ионы циркония. Координационный полиэдр Zr имеет форму двухшапочной тригональной призмы (КЧ = 8). Полиэдры ZrF84– выстроены в линейные каналы, в которых они чередуются с пустотами близкого объема. В работе [47] исследовались соединение стехиометрического состава Li4ZrF8 и твердый раствор Li3,72Mg0,14ZrF8. Согласно данным ЯМР 19F и спин-решеточной релаксации (T1) фтора движения во фторидной подрешетке с частотой выше 104 Гц, включая реориентации полиэдров ZrF8, отсутствуют. В то же время ширина спектральной линии выше T = 320 K и величина T1 лития в значительной мере зависят от температуры. Ход температурных зависимостей второго момента спектров ЯМР 7Li указывает на заметное снижение энергии активации диффузии лития в твердом растворе по сравнению с Li4ZrF8. Значения энергии активации, полученные из анализа ширины линии ЯМР 7Li, оказались равными 0,37 и 0,32 эВ соответственно. Значения, полученные на основании релаксационных измерений, несколько отличаются от полученных выше и составляют соответственно 0,22 и 0,21 эВ.

Цепочечные соединения

Важнейшим примером ионпроводящего фтороцирконата является (NH4)2ZrF6. Структуру соединения (рис. 3) образуют параллельные бесконечные цепи, сформированные из восьмивершинников ZrF8, объединенных по общей грани через три атома фтора в димеры, соединенные между собой, в свою очередь, по вершине [48]. Восьмивершинники имеют различную конфигурацию – один из них представляет собой двухшапочную тригональную призму, а другой имеет форму, промежуточную между двухшапочной тригональной призмой и додекаэдром Хорда. Бесконечные фтороцирконатные цепи разделены между собой ионами аммония, связанными со фтором водородными связями, причем аммоний также расположен линейно в сформированных анионными цепочками каналах.

 

Рис. 3. Фрагмент кристаллической структуры соединения (NH4)2ZrF6

 

Температурная зависимость второго момента спектров ЯМР 1H (NH4)2ZrF6 [40, 49] содержит три участка, на которых его величина сравнительно неизменна: T < 270 K, 340 K ≤ Т ≤ 400 K и Т > 420 K. Температурные интервалы изменения второго момента спектров ЯМР 1H и 19F хорошо соответствуют друг другу. В результате изучения трансформации спектров ЯМР (NH4)2ZrF6 с учетом кристаллической структуры соединения авторами работ [40, 50] был предложен следующий механизм развития ионных движений в нем. Ниже 200 K фторидная подрешетка в терминах ЯМР является жесткой. При более высоких температурах наиболее вероятной формой движения, приводящей к трансформации спектральной линии, являются реориентации димеров Zr2F12 вокруг мостиковых атомов, связывающих димеры по вершинам во фтороцирконатные цепочки, хотя не исключается также и возможность конформационных переходов. Сужение линии ЯМР 1H на данном этапе обусловлено частичным усреднением взаимодействий фтора и протонов аммонийных групп. При температурах 370–400 К в спектрах ЯМР начинают проявляться диффузионные движения ионов аммония. При этом происходит некоторое уменьшение «жесткости» анионных цепочек, становится возможен проворот полиэдров димера друг относительно друга и превращение мостиков «вершина» в мостик «грань», и наоборот, что приводит к трансляционной диффузии ионов фтора. Высокотемпературный спектр ЯМР 19F имеет характерную «палаткообразную» форму, определяющуюся аксиально-симметричным тензором магнитного экранирования [10], что свидетельствует о неполном усреднении тензоров магнитного экранирования всех позиций, «пробегаемых» ионом фтора при его диффузии.

Формы движения анионов и катионов (реориентации, трансляционная диффузия) в этом веществе изучались также при помощи измерения времен релаксации в [51]. Изменение времени спин-решеточной релаксации 19F и 1H с температурой происходит по сложному закону, приблизительно от 1 с при 10–20 К до 1мс при 400 К. По участкам релаксационной кривой 146–240 К и 300–400 К определены параметры реориентационной и трансляционной диффузии аммония соответственно. На основании низкотемпературных релаксационных данных 1H подробно проанализировано туннеллирование протонов в ионе аммония. Релаксационные данные фтора обработаны менее подробно – указывается лишь на совпадение энергий активации движения протонов и фтора (13,6 и 13 кДж/моль соответственно) в температурном диапазоне реориентаций аммония (106–200 К) и на резкое увеличение скорости релаксации 1H и 19F выше 395 К, соответствующее диффузии в анионной и катионной подрешетках. Первое указывает на определяющую роль реориентаций NH4 в процессе релаксации фтора при данных температурах.

Фазовому переходу при 415 K соответствует переход к диффузии ионов фтора и аммония. Высокотемпературная модификация β-(NH4)2ZrF6 метастабильна и характеризуется пониженными температурами перехода ионов аммония и фтора к локальным движениям и диффузии. Электропроводность соединения при температуре 420 К составляет 1,5×10–2 См/см.

Соединение Tl2ZrF6 изоструктурно гексафтороцирконату аммония. На температурной зависимости ширины спектра ЯМР 19F Tl2ZrF6 температуры эффектов, соответствующие началу локальных реориентационно-конформационных движений в анионных цепочках и фазовому переходу, при котором и фторид-ионы и катионы таллия переходят к стадии диффузионных движений, значительно понижены по сравнению с (NH4)2ZrF6 и равны 200 и 275 K соответственно [28]. Ионная проводимость Tl2ZrF6 составляет 1,1·10–2 См/см при 200 ºC [43].

Особенностью соединений аммония является то, что наряду с классическими вакансионными дефектами при нагревании аммонийных фтороцирконатов при температурах фазового перехода и выше имеет место частичное удаление из образца NH3 и HF [52, 53] с образованием связанной, не рекомбинирующей при охлаждении образца пары дефектов в катионной и анионной подрешетках. Можно предположить, что механизм частичного термического разложения фтороцирконатов аммония имеет общие черты с разложением, например, NH4Zr2(PO4)3, в результате которого образуется кислый фосфат HZr2(PO4)4 [54]. При этом, поскольку безводные кислоты фтороцирконатов не существуют [4, 55], возникающая частично кислотная форма разлагается с выделением HF и формированием нестехиометрической соли дефектного строения:

(NH4)2ZrF6 → (NH4)2-x(HF)xZrF6-x + xNH3↑ → (NH4)2-xZrF6-x + xHF↑.

Образующиеся нестехиометрические фазы (NH4)2-xZrF6-x(0 < x ≤ 0,25) обладают существенно отличающимся ходом трансформации спектров ЯМР с температурой. Отличия связаны в основном с развитием локальной подвижности при более низкой температуре [53]. При этом следующий этап – переход к трансляционным ионным движениям происходит приблизительно при тех же температурах, что и у исходной фазы (NH4)2ZrF6, а ионная электропроводность имеет сопоставимые по порядку величины значения (4,3–8,2·10–3 См/см при 413 K). Можно отметить, что фаза, получающаяся при x = 0,25, имеет состав (NH4)7Zr4F23 и может являться родоначальной для ряда соединений типа A(NH4)6Zr(Hf)4F23 (A = Li, Na, K, Rb, Cs).

В системах RbF-NH4F-ZrF4 и KF-NH4F-ZrF4 обнаружены значительные области гомогенности твердых растворов со структурами гексафтороцирконатов Rb2ZrF6, K2ZrF6, (NH4)2ZrF6. Согласно данным ЯМР и РФА структурный тип гексафтороцирконата аммония сохраняется до состава Rb0,5(NH4)1,5ZrF6, а тип рубидиевого соединения – до Rb1,7(NH4)0.3ZrF6 [56, 57]. Как и для фаз (NH4)2-xZrF6-x, спектры ЯМР 19F, 1H и ход их температурных трансформаций для нестехиометрических фаз на основе (NH4)2ZrF6 с замещением иона аммония другим катионом близки к таковым для исходного соединения [50]. При этом наблюдаются определенные изменения в форме спектров и температурах этапов развития ионной подвижности. Так, для соединений Rb2-x(NH4)xZrF6 с x = 1,5, 1,6 и 1,7 изменение формы ионной подвижности аммония (от реориентаций к диффузии) происходит выше 375, 365 и 350 K соответственно, о чем свидетельствует появление в спектре ЯМР 1H узкой компоненты с шириной менее 1 кГц выше 400 K. Доминирующим этот процесс становится (в зависимости от величины x) в области температур 390–420 K. Форма спектров ЯМР 19F в области температур, соответствующей развитию локальных ионных движений (220–350 K), содержит две компоненты, что свидетельствует о том, что на различных участках фтороцирконатной цепи локальные движения развиваются с различной энергией активации. По величине электропроводности при T = 420 K указанные фазы незначительно уступают исходному соединению, причем скачок электропроводности, связанный с фазовым переходом образца с x = 1,5 в высокотемпературную модификацию, оказывается выражен очень слабо.

В работах [58–60] был синтезирован и исследован ряд соединений состава K2-n(NH4)nZrF6 (0,2 ≤ n ≤ 1,7). Было установлено, что соединения с n < 0,5 изоструктурны K2ZrF6. Резкое изменение структуры соединений происходит при n > 0,5. Исследование монокристалла K1,22(NH4)0,78ZrF6 показало, что структура этого соединения имеет отличия и от гексафтороцирконата аммония, и от соединения калия [60]. При n ≈ 1,5 симметрия элементарной ячейки становится ромбической и соединения с n > 1.5 изоструктурны (NH4)2ZrF6 [58]. Во всем диапазоне составов катионы NH4+ статистически замещают катионы K+. Изучена динамика ионных движений, фазовые переходы, электрофизические свойства этих соединений и сопоставлены с характеристиками исходных фаз [58–60]. По данным ДТА фазовый переход в K0,35(NH4)1,65ZrF6 наблюдается при ~418 K. Образующаяся β-модификация достаточно стабильна и может быть охлаждена до комнатных температур. На дифференциальной кривой нагревания β-фазы наблюдается хорошо выраженный эндоэффект при 398 K. Рентгенограммы α- и β-фаз соединения K0,35(NH4)1,65ZrF6 при температурах 295–300 K различаются незначительно, что может говорить о близком строении обеих модификаций.

Температурные зависимости ширины спектров ЯМР 1H, 19F и трансформация последних при вариациях температуры для соединения K0,35(NH4)1,65ZrF6 сходны с рассмотренными выше. Заметные изменения формы линии и величины второго момента начинаются выше 250 K. Значительное уменьшение величины второго момента спектра S2(F) в переходной области (250–350 K) связано с переходом фторсодержащих группировок к реориентациям. В диапазоне 350–400 K спектр ЯМР 19F остается практически неизменным, представляя собой узкую симметричную линию. По данным ЯМР 1H процесс перехода ионов аммония от состояния изотропных реориентаций к трансляционной диффузии наступает в интервале температур 350–410 K. Как и в (NH4)2ZrF6, образовавшаяся после фазового перехода метастабильная модификация характеризуется более низкими температурами начала соответствующих трансформаций спектров ЯМР. Ионная электропроводность фазы K0,5(NH4)1,5ZrF6 составляет 2,7·10–5 См/см при 430 K [58], что меньше электропроводности (NH4)2ZrF6 на два порядка.

В ту же группу соединений можно включить NH4TlZr(Hf)F6, ионная подвижность в которых исследовалась методом ЯМР в работах [61, 62]. Поскольку гексафтороцирконаты(гафнаты) таллия и аммония изоструктурны и обладают суперионными свойствами, ожидалось, что соединение со смешанными катионами будет обладать более высокой электропроводностью за счет того, что катионная подрешетка в нем разупорядочена.

Заметные изменения формы и ширины линии ЯМР 19F NH4TlZr(Hf)F6 начинаются выше 225 К и вызваны появлением в решетке движений с частотами выше 104 Гц [61]. С повышением температуры происходит дальнейшее сужение резонансной линии фтора и уменьшение величины ее второго момента до ~0,3 Гс2. Изменения параметров спектров ЯМР 19F на этом этапе связаны с началом диффузии ионов фтора в кристаллической решетке. Этот процесс становится доминирующим в области температур 340–350 К (Еа ≈ 0,54 эВ). Для сравнения можно отметить, что диффузионная подвижность в анионной подрешетке Tl2ZrF6 проявлялась в этом же температурном интервале [63], тогда как в (NH4)2ZrF6 диффузия ионов фтора становилась заметной лишь выше 390 К.

Движение в аммонийной подсистеме NH4TlZrF6 в диапазоне температур 160-300 К представлено характерными для тетраэдрических ионов изотропными реориентациями. Наблюдаемое уменьшение величины S2(H) в диапазоне 250–300 К вызвано уменьшением межмолекулярного вклада от взаимодействий протонов со фтором вследствие перехода фтороцирконатных цепочек к конформационно-реориентационным движениям. Выше 320 К в спектрах ЯМР 1H появляется узкая компонента, параметры которой свидетельствуют о возникновении диффузии в аммонийной подсистеме, и доминирующим этот процесс становится при Т ≥ 350 К. В области температур 370-390 K NH4TlHfF6 испытывает ФП, в результате которого образуется β-модификация, соответствующие этапы диффузионного движения для которой реализуются при более низких температурах.

Как следует из вышеизложенного, природа внешнесферного катиона оказывает существенное влияние на строение и свойства комплексных фторидов [6, 10, 61, 64]. В частности, замещение одного из внешнесферных катионов M в гексафторидокомплексах M2AF6 на катион другой природы M’ во многих случаях приводит к понижению энергии активации ионных движений в анионной и катионной подрешетках [10]. В рамках получения и исследования соединений со смешанной катионной подрешеткой на основе (NH4)2ZrF6 было получено упорядоченное соединение (NH4)6LiZr4F23 [65], также характеризующееся цепочечным строением и высокой ионной проводимостью, обусловленной как катионным, так и анионным переносом [66]. В ходе систематического изучения фтороцирконатов этого типа были синтезированы упорядоченные фазы (NH4)6MZr4F23 и (NH4)6MHf4F23 (M = Li, Na, K, Rb, Cs), изучены их строение, динамика комплексных ионов, термические и электрофизические свойства [65–69]. Было установлено, что соединения характеризуются более низкими энергиями активации движений в катионной и анионной подрешетках и более высокими значениями ионной проводимости по сравнению с гексафторидоцирконатом аммония. Кроме цирконатов и гафнатов были синтезированы и исследованы также соединения (NH4)6MZr3HfF23 (М = Li, Na) [70], (NH4)6LiHf2Zr2F23 [71], (NH4)6LiZr3HfF23 и (NH4)6LiZrHf3F23 [72] с замещениями в комплексном анионе.

Гексафторидоцирконат аммония, являющийся «родоначальником» рассматриваемых соединений, имеет обратимый фазовый переход вблизи 420 K, при котором у соединения имеет место потеря NH3 и HF. Образовавшаяся нестехиометрическая модификация метастабильна, характеризуется высокой фторид-ионной подвижностью и имеет уже собственный, обратимый фазовый переход при более низкой температуре. Аналогичным, но несколько более сложным и разнообразным термическим поведением отличаются соединения семейства (NH4)6AZr(Hf)4F23. На кривых ДСК соединений (NH4)6LiZr3HfF23 и (NH4)6LiZrHf3F23 наблюдаются тепловые эффекты с максимумами при 448 и 442 K соответственно, которые не воспроизводятся при охлаждении и повторном нагреве соединений. При охлаждении (473→300 K) высокотемпературные β-модификации сохраняются, и при повторном нагреве на кривых ДСК появляются новые эндоэффекты небольшой интенсивности с максимумами при 406 и 407 K, которые можно связать с ФП уже в этих β-модификациях. При повторном термоциклировании температуры тепловых аномалий остаются неизменными.

Для соединений K(NH4)6Zr(Hf)4F23 в ходе первого нагрева на кривой ДСК наблюдаются три тепловых эффекта с максимумами при температурах 358, 382 и 419 K (366, 392, 431 K в соединении Hf). При повторных нагревах образцов на кривой ДСК сохраняется аномалия при 419 K (431 K), два эффекта в области низких температур не воспроизводятся, и, вероятно в результате размытого фазового перехода или частичного разложения соединения при 450–470 K, появляется тепловой эффект с максимумом при 431 K (445 K). Эффекты при 419 и 431 K (431 и 445 K) воспроизводятся при охлаждении с некоторым гистерезисом. Таким образом, пара низкотемпературных фазовых переходов, характерных для высокотемпературных модификаций Li(Na)(NH4)6Zr4F23, имеет место в низкотемпературной модификации K(NH4)6Zr(Hf)4F23, а пара воспроизводимых эффектов высокотемпературных модификаций смещается для соединений калия в область высоких температур.

Как можно видеть из табл. 1, температуры фазовых переходов несколько повышаются при переходе от соединений циркония к гафнатам и снижаются с увеличением атомного номера катиона, причем для соединений цезия вследствие гистерезиса область температур фазовых переходов β-модификации перекрывается с соответствующей областью низкотемпературной фазы.

 

Таблица 1. Температуры фазовых переходов в соединениях A(NH4)6M4F23

Катион A, ссылка

M = Zr

M = Hf

ФП при первом нагреве

ФП при последующих нагревах

ФП при первом нагреве

ФП при последующих нагревах

Li [66]

424

360, 380

Нет данных

Нет данных

Na [66]

413

365, 380

Нет данных

Нет данных

K [67]

358, 382, 419

419, 431

366, 392, 431

431, 445

Rb [68]

354, 386

420, 446

357, 388

425, 452

Cs [69]

349, 379

387, 397

351, 379

389, 407

 

Спектры ЯМР 19F рассматриваемых соединений представляют собой широкие асимметричные линии, форма которых определяется анизотропией магнитного экранирования, неэквивалентностью позиций ионов фтора и диполь-дипольными взаимодействиями в основном ядер фтора между собой и с протонами ионов аммония. Необходимо отметить, что для соединений гафния и для соединений, содержащих гафний, характерны более узкие спектры ЯМР 19F при низкой температуре, что можно связать с меньшей величиной магнитной анизотропии фтора в этих соединениях. Отсутствие низкотемпературного плато на зависимостях ширины спектров ЯМР 19F соединений указывает на то, что «жесткая решетка» реализуется ниже 150 K. Повышение температуры со 150 до 350 K приводит к общему сужению спектров ЯМР, изменению их формы – появлению расположенной в центре тяжести спектра узкой линии, росту ее интенсивности с повышением температуры и уменьшению величины S2(F). Наблюдаемая трансформация спектров ЯМР 19F связана с активацией локальных движений во фторидной подсистеме (Еа ≈ 0,32 эВ). При 350 K спектры ЯМР 19F трикозафторотетрацирконатов(гафнатов) состоят из одиночных лоренцевых линий с шириной 18–17 кГц. Учитывая структуру соединений, можно предполагать, что выше 200 K в рассматриваемых соединениях начинаются реориентации тетраядерных фторидных фрагментов (-[MF7-MF8-MF8-MF7]-, M = Zr, Hf) вокруг мостиковых ионов фтора, объединяющих эти тетрамеры в бесконечные цепи. Подобные процессы предполагаются и для других фторидов циркония и гафния цепочечного строения – (NH4)2Zr(Hf)F6 [40, 50], Tl2ZrF6 [63] и др. Число реориентирующихся группировок растет по мере повышения температуры, и к 350 K практически все фторсодержащие группировки находятся в движении, о чем свидетельствуют форма спектров ЯМР (практически симметричная одиночная линия) и уменьшение величины второго момента спектров ЯМР 19F до ~15–11 Гс2. Таким образом, можно предположить, что в области температур 200–350 K исходная цепочечная структура исследуемых соединений претерпевает переход в разупорядоченное состояние.

Выше 350 K начинается новая трансформация спектров ЯМР 19F, связанная с началом диффузионных движений ионов фтора: относительно симметричная линия в спектре ЯМР трансформируется в две компоненты, одна из которых представляет собой линию, соответствующую аксиальной анизотропии тензора химического сдвига, а другая – лоренцеву линию с интегральной интенсивностью, достигающей 6 и 19% от общей площади спектров ЯМР 19F соединений (NH4)6LiZr3HfF23 и (NH4)6LiZrHf3F23 соответственно. Значения параметров тензоров равны: δ|| ≈ 178 м.д., δ^ ≈ 131 м.д. и δiso ≈ 146 м.д. для (NH4)6LiZr3HfF23, δ|| ≈ 162 м.д., δ^ ≈ 117,5 м.д. и δiso ≈ 132 м.д. для (NH4)6LiZrHf3F23 (сдвиги приведены относительно C6F6). Охлаждение образцов Li(NH4)6Zr4F23 и Na(NH4)6Zr4F23 (нагретого до 440 K) до 330 K указывает на наличие гистерезиса в изменении величины второго момента и формы спектров ЯМР, что с учетом данных ДСК свидетельствует образовании метастабильных разупорядоченных β-фаз с высокой ионной подвижностью (диффузией) в аммонийной и фторидной подсистемах.

Температурная трансформация спектров ЯМР соединений (NH4)6KZr4F23 и (NH4)6KHf4F23 аналогична рассмотренной выше, однако температуры начала развития локальной подвижности и трансляционной диффузии в аммонийной и фторидной подсистемах несколько отличаются. Так, температура трансформации спектра ЯМР 19F (NH4)6KZr4F23 к характерной палаткообразной форме, свидетельствующей о переходе ионов фтора к диффузии, составляет 370 K [67]. Параметры тензора магнитного экранирования фтора при 400 K для этого соединения равны: δ11 = 180 м.д., δ22 = δ33 = 135,5 м.д. и δiso = 155 м.д. Развитие локальной подвижности и трансляционной диффузии в аммонийной и фторидной подсистемах соединения (NH4)6KHf4F23 начинается при несколько более низких температурах, чем в (NH4)6KZr4F23. Кроме того, форма спектра ЯМР 19F (NH4)6KHf4F23 описывается более узкой палаткообразной кривой с параметрами ТМЭ равными: δ = 148 м.д., δ22 = δ33 = 109 м.д. и δiso = 122 м.д. (T = 460 K). Схожие характеристики имеет Rb(NH4)6Zr4F23, температура перехода ионов фтора к диффузии в котором также составляет 370 K [68], а параметры тензора магнитного экранирования при T = 450 K равны: δ = 180 м.д., δ = 137 м.д. и δiso = 152 м.д. Форма спектра ЯМР 19F Rb(NH4)6Hf4F23 выше 400 K описывается более «узкой» палаткообразной кривой с параметрами ТМЭ равными: δ = 147 м.д., δ^ = 110 м.д. и δiso = 122 м.д. (T = 420 K).

Так же как и для (NH4)2Zr(Hf)F6 [10, 40, 50], в соединениях рассматриваемого типа наблюдается диффузия ионов аммония, проявляющаяся в изменении спектров ЯМР 1H с температурой. В области температур 150–320 K для всех соединений имеет место некоторое сужение спектров ЯМР 1H и уменьшение величины второго момента, вызванное появлением локальной подвижности во фторидной подрешетке этих соединений, приводящим к уменьшению диполь-дипольных взаимодействий H–F. При более высоких температурах на вид спектров начинает оказывать влияние характер динамических процессов в аммонийной подрешетке соединений A(NH4)6MxM’4-xF23, зависящий от природы катиона A и комплексообразователя M, M’, а также термической предыстории образца. В соответствии с изменениями энергии активации меняются диапазоны температур, в которых реализуются те или иные виды ионных движений. Так, спектр ЯМР 1H соединения Li(NH4)6ZrHf3F23 при 350 K [66] состоит из относительно широкой гауссовой линии ≈18,7 кГц, свидетельствующей о наличии в аммонийной подрешетке соединения только изотропных реориентаций ионов NH4+. При тех же условиях в аммонийной подрешетке Li(NH4)6Zr3HfF23 наблюдаются два разных вида ионных движений, о чем свидетельствует наличие в спектре ЯМР 1Н этого соединения узкой компоненты (ΔH½ ≈ 6 кГц), соответствующей мобильным ионам аммония, и широкой (ΔH½ ≈ 16 кГц) компоненты, отвечающей ионам, движения которых ограничены изотропными реориентациями. Появление высокомобильных ионов аммония в соединении Li(NH4)6ZrHf3F23 наблюдается только выше 360 K. Оценка энергии активации локальных движений Ea в аммонийной подрешетке рассмотренных соединений составляет соответственно 0,54 и 0,59 эВ. С повышением температуры площадь узкой компоненты растет, а широкой падает, и выше 420 K данные ЯМР 1H свидетельствуют о доминирующей роли диффузии ионов NH4+ во всех соединениях состава A(NH4)6MF23.

Наиболее вероятным механизмом диффузии ионов NH4+ для рассматриваемых соединений является вакансионный, т.е. прыжки катионов, расположенных в каналах межслоевого пространства [48], по образующимся в процессе нагревания образца «собственным» аммонийным вакансиям [10, 73].

Электропроводность рассматриваемых соединений до и после фазового перехода подчиняется аррениусовской зависимости: σT = Aexp(–Ea/kT), где А – предэкспоненциальный множитель, значение которого определяется механизмом проводимости, Ea – энергия активации переноса заряда, рассчитываемая из тангенса угла наклона прямолинейных участков. В результате фазового перехода в области 378–393 K происходит резкое увеличение значений проводимости на порядок и уменьшение энергии активации переноса заряда. При охлаждении и повторном нагреве, как правило, наблюдался гистерезис значений электропроводности, причем как величина гистерезиса, так и вообще детали температурной зависимости электропроводности имели индивидуальные особенности для разных соединений. Так, хотя величина ионной электропроводности Li(NH4)6Zr4F23 при 420 K совпадает с электропроводностью (NH4)6NaZr4F23, ход температурной зависимости электропроводности последнего отличается намного меньшим гистерезисом [66]. Для K(NH4)6Zr4F23 и K(NH4)6Hf4F23 при повторных прогревах низкотемпературный участок был линейным только при охлаждении (рис. 4).

 

Рис. 4. Температурные зависимости ионной проводимости для образцов (NH4)6KHf4F23 и (NH4)6KZr4F23

 

Сравнивая величины ионной электропроводности соединений общей формулы A(NH4)6Zr(Hf)4F23 (табл. 2) при 420 K, можно сделать вывод о том, что электрофизические свойства слабо зависят от природы катиона A, несколько ухудшаясь с увеличением его атомного номера, несмотря на сопутствующее увеличение параметра решетки. Также имеется незначительная связь электропроводности с природой металла-комплексообразователя. В этом случае уменьшение параметра ячейки при переходе от соединений циркония к гафнатам, как правило, ожидаемо сопровождается уменьшением электропроводности соединения. Исключением является (NH4)6RbZr4F23, низкая электропроводность которого может объясняться плохими свойствами конкретного образца.

 

Таблица 2. Величины электропроводности соединений A(NH4)6Zr(Hf)4F23

Соединение

Область температур, K

Ea, эВ

lg(A), См/см·K

Проводимость, См/см

Т, K

Ссылка

Li(NH4)6Zr4F23

385–420

0,33

4,2

4·103

420

[66]

Na(NH4)6Zr4F23

385–420

0,46

5,7

4·103

420

[66]

(NH4)6KZr4F23

388–323

0,69

7,1

3,8∙10–3

423

[67]

(NH4)6KHf4F23

428–453

0,77

9,5

1,1∙10–3

423

[67]

(NH4)6RbZr4F23

438–463

0,49

4,1

2,7∙105

423

[68]

(NH4)6RbHf4F23

438–463

0,22

2,9

2,3∙10–3

423

[68]

Cs(NH4)6Zr4F23

378-463

0,39

3,57

1,8∙104

423

[69]

Cs(NH4)6Hf4F23

418-453

0,54

0,54

1,3∙104

423

[69]

 

Анионный комплекс K2ZrF6 представляет собой бесконечную вдоль оси z зигзагообразную цепь из восьмивершинников циркония, связанных между собой по ребру [74, 75]. Строение анионной цепи в этом фтороцирконате более регулярное по сравнению с (NH4)2ZrF6. Координационным полиэдром атома Zr4+ является слегка искаженная квадратная антипризма с атомами фтора в вершинах. Цепи окружены со всех сторон катионами калия и образуют бесконечные анионные каналы. В области температур 513–518 K соединение K2ZrF6 претерпевает полиморфное превращение из α-модификации в β-фазу [22], структура которой неизвестна.

Исследования при помощи ЯМР 19F не выявили ионной диффузии в K2ZrF6 при температурах до 420 К [76], а значение электропроводности при 430 K составляет лишь 2,6×10–9 См/см [59]. Сравнительно высокой электропроводностью (1,2×10–4 См/см при 540 К) соединение начинает обладать лишь после фазового перехода в b-модификацию при 513 K. Согласно данным [77] активация ионных движений во фторидной подрешетке этого соединения (реориентации полиэдров фторцирконатных цепочек вокруг направления цепей) начинается выше 465 K. Резкое уменьшение величины S2(F) спектров ЯМР (до ~0,8 Гс2) происходит в сравнительно узкой области температур 490–505 K, при этом резонансная линия становится узкой и симметричной. Выше 515 K спектр ЯМР трансформируется в односкатную палатку с S2(F) → 0.

Высокопроводящая модификация, образующаяся после фазового перехода, метастабильна, что следует из данных по измерению электропроводности образца при его охлаждении и повторном нагреве [77]. В частности, проводимость при 420 К в β-фазе K2ZrF6 более чем на три порядка превышает аналогичную величину в a-фазе при той же температуре, составляя 2,1·10–6 См/см. Значение энергии активации электропроводности β-K2ZrF6 в диапазоне 312–550 K составляет 0,76 эВ.

Факт отсутствия высокой электропроводности α-K2ZrF6 может служить иллюстрацией необходимости наличия структурной разупорядоченности [78] в соединении для осуществления фторид-ионной диффузии. Вследствие регулярности строения фтороцирконатной цепи α-K2ZrF6 возможность для реализации механизма переноса вдоль нее фторид-иона, предложенного в [40] для (NH4)2ZrF6, по-видимому, отсутствует (в отличие от высокотемпературной модификации соединения).

Как и для (NH4)2ZrF6, предпринимались исследования твердых растворов K2-n(NH4)nZrF6 с замещением части внешнесферных катионов катионами другой природы. Ожидалось, что вследствие разупорядоченности катионной подрешетки, изменения параметра решетки и увеличения средней поляризуемости катиона, получится твердый раствор, в котором диффузионные процессы будут развиваться при более низких температурах, чем в исходном соединении.

Как упоминалось выше, в работах [58–60] были исследованы твердые растворы состава K2-n(NH4)nZrF6 (0,2 ≤ n ≤ 1,7), причем соединения с n < 0,5 изоструктурны K2ZrF6. Катионы NH4+ статистически замещают ионы калия в решетке. Структура K1,22(NH4)0,78ZrF6 отлична от структуры K2ZrF6, однако строение фтороцирконатных цепей этих соединений схожее, и имеет смысл рассмотрение K1,22(NH4)0,78ZrF6 как твердого раствора на основе K2ZrF6.

Как можно видеть из табл. 3, с увеличением степени замещения калия на аммоний существенно снижаются температуры фазового перехода в ионпроводящую модификацию, начала развития конформационно-реориентационных движений в анионной цепи по данным ЯМР, начала диффузионных движений ионов аммония. Вместе с тем следует отметить, что присутствие ионов аммония в составе соединения снижает его термическую устойчивость.

 

Таблица 3. Составы, температуры полиморфных превращений (TФП) и перехода фторидных группировок и ионов аммония (Tc) соответственно к конформационному и диффузионному движению в гексафтороцирконатах калия–аммония. Ea – оценочные значения энергии активации этих движений (эВ)

Состав соединения

ТФП, К

Конформации анионов

Диффузия ионов NH4+

Tc, K

Ea

Tc, K

Ea

K2ZrF6

513-518

470

0,76

-

-

K1,8(NH4)0,2ZrF6

458

400

0,64

415

0,66

K1,3(NH4)0,7ZrF6

≈420

290

0,47

400

0,64

K1,15(NH4)0,85ZrF6

410-415

280

0,45

395

0,63

K1,1(NH4)0,9ZrF6

408-418

272

0,44

385

0,61

K(NH4)ZrF6

393-398

260

0,41

375

0,60

 

В области температур 200–390 K спектр ЯМР 19F соединения K1,8(NH4)0,2ZrF6 отвечает жесткой решетке в терминах ЯМР. Локальные движения во фторидной подрешетке начинаются при 390 K, и при максимальной температуре нагрева образца (460 K) доля высокоподвижных ионов фтора в решетке не превышает 25%. Согласно данным ЯМР 1H переход ионов аммония к диффузии наблюдается в области 410–420 K. Число диффундирующих ионов аммония при повышении температуры от 425 до 460 K увеличивается с ~8,5 до 34%. Дальнейшее нагревание образца приводит к его разложению. Для образца K1,3(NH4)0,7ZrF6 состояние жесткой решетки по данным ЯМР 19F сохраняется в области температур 200–290 K. Заметные изменения формы линии происходят выше 295 K.

Трансформация спектров ЯМР 19F соединений K2-n(NH4)nZrF6 с температурой заключается в сужении спектров вследствие развития локальной ионной подвижности до температуры, приблизительно соответствующей фазовому переходу. Для соединений с n ≤ 0,85 выше этой температуры спектр ЯМР 19F состоит из узкой компоненты, отвечающей локальным диффузионным движениям ионов фтора, и широкой компоненты, соответствующей участкам фтороцирконатных цепей, движения в которых ограничиваются конформационно-реориентационными переходами [59]. Для соединений с n > 0,85 выше температуры перехода широкая компонента спектра отсутствует, а спектр ЯМР 19F трансформируется в асимметричную полосу, напоминающую односкатную палатку и характерную для соединений, в которых резонирующие ядра обладают аксиальной анизотропией тензора магнитного экранирования. Данное изменение осуществляется в области фазового перехода при температурах от ~393 до 420 K, в зависимости от состава катионной подрешетки.

По мере увеличения числа ионов аммония в составе соединения уменьшается энергия активации конформационно-реориентационного и диффузионного движения соответственно в комплексном анионе и катионной подрешетке [59]. Переход ионов аммония к диффузии в соединениях с n = 0,85, 0,9 и 1,0 начинается при ~395, ~385 и ~375 K соответственно. В области температур 430–410 K практически все ионы NH4+ участвуют в диффузионном движении. Характер трансформации спектров ЯМР 1H всех соединений со смешанными катионами свидетельствует о динамической неоднородности аммонийной подсистемы.

Аналогичным образом возрастает по мере увеличения числа ионов NH4+ в решетке и ионная проводимость рассматриваемых твердых растворов [59]. Так, удельная проводимость K1,8(NH4)0,2ZrF6 при ~450 K равна ~3,2×10–7 См/см, тогда как у исходного K2ZrF6 она не превышает ~1,6×10–8 См/см при тех же условиях. Наибольшие значения электропроводности соединений рассматриваемого ряда, составляющие 3,0×10-6 и 2,7×10-5 См/см, были получены для KNH4ZrF6 и K0,5(NH4)1,5ZrF6 соответственно. Таким образом, явно прослеживается процесс «размягчения» решетки при введении в состав калиевого образца ионов аммония.

Строение фтороцирконатных цепей низкотемпературных модификаций изоструктурных соединений KSnZrF7 и NH4SnZrF7 аналогично таковому у K2ZrF6 [79]. Кажущееся существенное нарушение систематики [6, 8] (цепочечное строение при отношении F:Zr = 7) объясняется наличием в структуре некоординированного к цирконию атома фтора. Согласно данным ДТА и ЯМР соединения калия и аммония при 568 и 583 K соответственно испытывают фазовый переход в метастабильные модификации, характеризующиеся повышенной фторид-ионной подвижностью. При температурах 663 и 668 K происходит плавление, сопровождающееся пирогидролизом первого и частичным разложением второго из соединений.

Данные ЯМР 19F свидетельствуют об отсутствии во фторидной подрешетке рассматриваемых соединений в диапазоне 290–370 К движений с частотами выше 104 Гц. Трансформация спектров ЯМР начинается выше ~380 К для KSnZrF7 и ~410 K для NH4SnZrF7 и сопровождается постепенным исчезновением асимметрии линии, ее сужением и уменьшением величины второго момента, что свидетельствует о возникновении ионных движений во фторидной подрешетке. Протекание фазового перехода приводит к трансформации спектра выше 520 К в асимметричную узкую линию с тонкой структурой, форма которой напоминает «односкатную палатку» и свидетельствует о наличии трансляционной диффузии ионов фтора.

Несмотря на наличие высокополяризуемых катионов аммония в NH4SnZrF7, вид его спектров при 500 K не указывает на наличие трансляционной диффузии ионов фтора. Авторами [79] сделан вывод о том, что различие диффузионных свойств соединений обусловлено влиянием водородных связей, присутствующих в соединении аммония. Исследования методом ЯМР 1H не выявили и диффузии ионов аммония в NH4SnZrF7. Поскольку диффузия фтора была выявлена методом ЯМР только для калиевого соединения, только для него были проведены и импедансные измерения. Вероятно, благодаря наличию легко поляризуемых ионов Sn электропроводность KSnZrF7 несколько выше, чем у K2ZrF6 (~6,6∙10–4 См/см при 540 К), хотя энергия активации электропроводности довольно высока и равна 0,70 эВ. Фазовый переход приводит к увеличению ионной электропроводности, существенно не изменяя энергию активации диффузионной подвижности фтора.

Структура LiK10Zr6F35·2H2O построена из бесконечных цепей [Zr6F35]11–, молекул H2O, катионов K и Li [80]. Из шести кристаллографически независимых атомов циркония один (Zr(6)) имеет координационным полиэдром слегка искаженный тригональный додекаэдр (CN = 8), а остальные – искаженные одношапочные октаэдры (CN = 7). Zr-полиэдры связаны в цепи по общим ребрам и вершинам. Атомы лития соединяют бесконечные циркониевые цепочки в трехмерный каркас, координируя шесть атомов фтора от трех соседних цепей. В полученном каркасе можно выделить два сорта полостей, которые заполнены катионами K и молекулами H2O.

Процесс дегидратации соединения протекает в широкой области температур 453–543 K. Убыль массы соответствует удалению из структуры двух молекул H2O. После дегидратации соединения на кривой ДТА регистрируются два эндоэффекта при 458 и 578 K (без изменения массы), которые соответствуют обратимым фазовым переходам. По данным РФА продукт после дегидратации имеет индивидуальную рентгенограмму.

При температурах ниже 270 K спектр ЯМР 19F LiK10Zr6Z35∙2H2O представляет собой широкую асимметричную линию с полушириной ~80 кГц (рис. 5). В интервале температур 270–370 K в спектре появляется сравнительно узкая компонента с полушириной 18 кГц. При 420 K полуширина спектра уменьшается до 14 кГц и при дальнейшем повышении температуры до 520 K спектр принимает характерную форму «односкатной палатки», соответствующую аксиально-симметричному тензору магнитного экранирования иона фтора. Форма спектра свидетельствует о том, что и в этом случае перенос ионов фтора осуществляется вдоль фтороцирконатной цепи. При температуре 570 K после дегидратации и фазового перехода спектр состоит из двух компонент – симметричной лоренцевой и асимметричной «односкатной палатки». Каждая из компонент соответствует отдельному пути диффузии ионов фтора. Ход температурной трансформации спектров ЯМР 19F дегидратированного образца напоминает таковой для исходного соединения, однако соответствующие этапы ионной подвижности наступают при температурах, пониженных на ~20 K.

 

Рис. 5. Спектры ЯМР 19F K10LiZr6F35·2H2O (сплошные линии) и K10LiZr6F35 (пунктир) при различных температурах

 

Измерения ионной проводимости LiK10Zr6Z35∙2H2O не проводились, однако, учитывая данные ЯМР, следует ожидать для этого соединения величин, сопоставимых с проводимостью K2ZrF6.

Слоистые соединения

Несмотря на высказанное в ряде работ мнение о том, что цепочечное строение фтороцирконата необходимо для наличия в нем фторид-ионной проводимости, известен пример оксофторида циркония таллия, обладающего заметной величиной электропроводности, обусловленной диффузией ионов фтора и таллия (2,3·10–6 См/см при 420 K) [81]. Структура Tl2Zr3OF12 построена из двойных фтороцирконатных слоев, между которыми находятся слои катионов таллия [82]. Часть катионов Tl+ также расположена в пустотах анионных бислоев. Кислород образует тройную мостиковую связь, объединяя три атома Zr. В работе были исследованы изоструктурные фазы Tl2Zr3OF12, Rb2Zr3OF12 и твердые растворы Tl2Zr3-xMxOF12-x (M = Y3+, x ≤ 0,1; In3+, x ≤ 0,35). Допирование трехвалентным элементом позволило увеличить ионную электропроводность до 1,5·10–5 См/см. Электропроводность Rb2Zr3OF12 приблизительно на порядок ниже, чем у соединения таллия, что на основании результатов измерения спин-решеточной релаксации и релаксации во вращающейся системе координат объяснено наличием диффузионного движения ионов таллия в Tl2Zr3OF12. На температурных зависимостях электропроводности Tl2Zr3OF12 и Rb2Zr3OF12 имеются изломы, по всей видимости, объясняющиеся наличием фазовых переходов, тогда как на зависимостях допированных соединений изломов нет. Можно отметить, что фазовый переход в Rb2Zr3OF12 происходит при более высокой температуре, чем у Tl2Zr3OF12, и наличие катионной диффузии может быть не единственной причиной различия в электропроводности рассматриваемых соединений.

Структуры TlZrF5 и γ-NH4ZrF5 принадлежат моноклинной сингонии (пр.гр. P21/c) и состоят из чередующихся катионных и анионных слоев [83]. Последние образованы додекаэдрами ZrF8, близкими к правильным. Каждый полиэдр соединен с пятью другими полиэдрами четырьмя вершинными и одной реберной связью, при этом все атомы циркония эквивалентны. Кроме указанных фаз такой способ соединения полиэдров встречается в BaZr2F10·2H2O [84] и отличается от того, который имеет место в KZrF5 [85]. Катионы располагаются в узлах квадратной сетки, образуя гофрированные слои. Ионная электропроводность TlZrF5 при 420 K составляет 2,5·10–4 См/см [83]. Как показали исследования методом ЯМР релаксации на ядрах 205Tl и 19F, электропроводность соединения обеспечивается исключительно ионами таллия [86]. В работе [87] на основании данных ЯМР 203,205Tl было установлено наличие необычной химической связи внутри катионного слоя TlZrF5, характеризующейся высокими значениями скалярного взаимодействия между атомами таллия. Обнаруженная аномалия может объяснять высокую ионную проводимость TlZrF5 и других соединений таллия.

Ионные движения в γ-NH4ZrF5 были исследованы методом ЯМР 1H, 19F в работе [88]. Было установлено, что спектры ЯМР 1H NH4ZrF5 при температуре ниже 370 K имеют форму функции Абрагама, а их полуширина составляет 25 кГц, это свидетельствует о том, что движения в катионной подрешетке ограничены реориентациями ионов аммония. Выше 370 K спектры испытывают сужение вследствие начала локальных движений катионов. Трансформация спектров продолжается до максимально достигнутой в эксперименте температуры 520 K. Лоренцева форма спектра с полушириной Δν½ ≈ 3 кГц указывает на наличие трансляционной диффузии ионов аммония. Широкий температурный диапазон сужения линии ЯМР (более 100 K) свидетельствует о том, что развитие диффузии включает несколько этапов. Как и для TlZrF5, данные ЯМР не указывают на наличие трансляционной диффузии ионов фтора, однако при нагревании γ-NH4ZrF5 выше 420 K и до 520 имеют место некоторое сужение и трансформация линии ЯМР 19F, которые главным образом связаны с усреднением диполь-дипольных взаимодействий 19F–1H вследствие начала диффузии ионов аммония, но могут быть частично обусловлены и локальными движениями ионов фтора (конформациями в анионном слое). Можно также отметить, что в исследованных в [88] NH4ZrF5·H2O, имеющем цепочечное строение, и NH4ZrF5·0,75H2O, фтороцирконатный анион в котором построен из больших десятичленных циклов, по данным ЯМР отсутствуют как катионные, так и анионные движения до начала разложения соединений (350 и 360 K соответственно).

Заключение

Представленный обзор позволяет заключить, что наряду с подробно изученными ионпроводящими фтороцирконатами, такими как (NH4)2ZrF6, A(NH4)6Zr(Hf)4F23, A3ZrF7, включая твердые растворы, синтезированные на основе данных фаз, имеются малоизученные ионные проводники, принадлежащие к семейству фторидоцирконатов, такие как Li4ZrF8, а также неисследованные в рассматриваемом отношении соединения, строение которых позволяет предполагать возможность ионной проводимости, такие как NaBaZr2F11, NaPbZr2F11, M5Zr4F21·3H2O, MZrF5·nH2O (M = Rb, Cs), Na7Zr6F31, M2Zr3OF12 (M = K, NH4, Rb) и др. Можно заметить, что число работ, посвященных определенной группе проводников, до некоторой степени коррелирует с величиной полученного для них значения ионной электропроводности. С точки зрения достижения высокой подвижности анионов перспективными представляются слоистые и цепочечные соединения. Поскольку для этих структур расстояния катион–катион уменьшены по сравнению с островными, не исключена в них и высокая катионная подвижность. Последняя может наблюдаться также и в соединениях островного строения, таких как K3ZrF7 или Rb2ZrF6. Примеры же ионпроводящих каркасных фтороцирконатов, насколько нам известно, в литературе отсутствуют. Вместе с этим каркасные соединения составляют большую группу среди катионных проводников и ионообменных соединений, включающую, например, NASICON и цеолиты. Это свидетельствует о том, что в рамках поиска новых ионпроводящих материалов и этот класс фтороцирконатов не может быть исключен из рассмотрения.

×

About the authors

А. B. Slobodyuk

Institute of Chemistry, FEB RAS

Author for correspondence.
Email: ampy@ich.dvo.ru
ORCID iD: 0000-0002-1363-493X

Candidate of Sciences in Chemistry, Senior Researcher

Russian Federation, Vladivostok

N. A. Didenko

Institute of Chemistry, FEB RAS

Email: ndidenko@ich.dvo.ru
ORCID iD: 0009-0007-4663-4702

Researcher

Russian Federation, Vladivostok

References

  1. Takami T., Pattanathummasid C., Kutana A., Asahi R. Challenges for fluoride superionic conductors: fundamentals, design, and applications. J Phys Condens Matter. 2023;35(29). doi: 10.1088/1361-648X/accb32.
  2. Hladik J. (ed.). Physics of Electrolytes. New York: Academic Press; 1972. Vol. 1.
  3. Reau J.M., Grannec J., Lucat C., Chartier C., Matar S., Portier J., Hagenmuller P. Anionic conductivity of some bismuth fluorides with fluorite-type structure. Journal of Fluorine Chemistry. 1982;19(3/6):363–368. doi: 10.1016/S0022-1139(00)83138-3.
  4. Godneva M.M., Motov D.L. Khimiya ftoristykh soedinenii tsirkoniya i gafniya. Leningrad: Nauka; 1971. (In Russ.).
  5. Gerasimenko A.V. Kristallohimiya ftorocirkonatov s vodorodosoderzhaschimi kationami i geometricheskiye parametryi N-H..F svyazi: diss. ... kand. him. nauk., Vladivostok: IH DVO AN SSSR; 1989. 190 p. (In Russ.).
  6. Davidovich R.L. Stereokhimiya kompleksnyikh ftoridov tsirkoniya i gafniya. Koordinacionnaya Himiya. 1998;24(11):803–821. (In Russ.).
  7. Davidovich R.L., Marinin D.V., Stavila V., Whitmire K.H. Stereochemistry of fluoride and mixed-ligand fluoride complexes of zirconium and hafnium. Coordination Chemistry Reviews. 2013;257(21):3074–3088. doi: 10.1016/j.ccr.2013.06.016.
  8. Davidovich R.L. Strukturnaya depolimerizaciya kompleksnykh ftoridov tsirkoniya(IV) = [Structural depolymerization of zirconium(IV) fluoride complexes]. Vestnik of the FEB RAS. 2022(2):49–62. doi: 10.37102/0869-7698_2022_222_02_4. (In Russ.).
  9. Long J.R., McCarty L.S., Holm R.H. A solid-state route to molecular clusters: access to the solution chemistry of [Re6Q8]2+ (Q = S, Se) core-containing clusters via dimensional reduction. Journal of the American Chemical Society. 1996;118(19):4603–4616. doi: 10.1021/ja960216u.
  10. Kavun V.Ya., Sergienko V.I. Diffuzionnaya podvizhnost’ i ionnyj transport v kristallicheskih i amorfnyh ftoridah elementov IV gruppy i sur’my(III) = [Diffusive Mobility and Ion Transport in Crystalline and Amorphous Group IV Element and Antimony(III) Fluorides]. Vladivostok: Dal’nauka; 2004. (In Russ.).
  11. Grottel M., Kozak A., Pajak Z. 1H and 19F NMR study of ion dynamics in tris-guanidinium heptafluorozirconate [C(NH2)3]3ZrF7. Physica Status Solidi (B). 1998;207(2):333–339. doi: 10.1002/(SICI)1521-3951(199806)207:2<333::AID-PSSB333>3.0.CO;2-#.
  12. Grottel M., Kozak A., Pajak Z. 1H and 19F NMR study of cation and anion motions in guanidinium hexafluorozirconate. Zeitschrift fur Naturforschung. 1996;51a:991–996.
  13. Voit E.I. Osobennosti elektronnogo i geometricheskogo stroyeniya ftoridov tsirkoniya, niobiya i molibdena po dannyim neyempiricheskikh kvantovo-himicheskikh issledovaniy = [Peculiarities of electronic and geometric strictures of zirconium, niobium and molibdenum fluorides accordington on-empirical quantum chemical studies]. Vladivostok: IKH DVO RAN; 1999. (In Russ.).
  14. Kavun V.Ya., Uvarov N.F., Slobodyuk A.B., Goncharuk V.K., Kotenkov A.Yu., Tkachenko I.A., Gerasimenko A.V., Sergienko V.I. Ionic mobility, phase transitions, and superionic conduction in solid solutions (100-x)PbF2-XZrF4 and crystals K2ZrF6, (NH4)2ZrF6, KSnZrF7, and M(NH4)6Zr4F23 (M = Li, Na). Russian Journal of Electrochemistry. 2005;41(5):501–509. doi: 10.1007/s11175-005-0096-x.
  15. Scherbakov V.A. Issledovaniye vodnyikh rastvorov ftoridov titana(IV) i nekotoryikh drugikh perekhodnyikh elementov metodom yadernogo magnitnogo rezonansa ftora = [Study of water solutions of titanium(IV) fluorides and some other trasition elements by method of fluorine nuclear magnetic resonance]: avtoreferat dis. … kand. him. nauk. Leningrad: Radievyi Institutim. V.G. Hlopina; 1967. (In Russ.).
  16. Bode H., Teufer G. Uberstrukturen von hexafluorozirconaten und hexafluorohafnaten. Zeitschrift fur Anorganische und Allgemeine Chemie. 1956;283:18–25.
  17. Davidovich R.L. Structural depolimerization of complex metal fluorides. In: Third International Siberian Workshop on Advanced Inorganic Fluorides INTERSIBFLUORINE-2008. Vladivostok: ICH DVO RAN; 2008. (InRuss.).
  18. Tananaev I.V., Guzeeva L.S. Termicheskaya ustoychivost’ ftorocirkonatov i ftorgafnatov schelochnyikh metallov = [Termal stability of fluorozirconates and fluorohafnates of alcalimetals]. Izvestiya AN SSSR. Neorganicheskiye Materialyi. 1968;4(2):207–212. (In Russ.).
  19. Davidovich R.L. Atlas derivatogramm kompleksnyikh ftoridov metallov III–V grupp = [Atlas of derivatograms of complex metal III–V group fluorides]. Moscow: Nauka; 1975. 284 p. (In Russ.).
  20. Robbins G.D., Thoma R.E., Insley H. Phase equilibria in the system CsF-ZrF4. Journal of Inorganic and Nuclear Chemistry. 1965;27(3):559–568.
  21. Williams D.F., Toth L.M., Clarno K.T. Assessment of candidate molten salt coolants for the advanced high-temperature reactor: scientific report. Oak Ridge: Oak Ridge National Laboratory; 2006. 70 p.
  22. Cherkasov B.I., Moskvich Yu.N., Sukhovskoi A.A., Davidovich R.L. F-19 NMR–study of internal motions in the new family of superionic crystals M2ZrF6 and M2HfF6, Solid State Phys.1988;30:1652–1661. (In Russ.).
  23. Moskvich Yu.N., Cherkasov B.I., Davidovich R.L. Investigation of anion motions in rubidium and cesium hexafluorozirconates and hexafluorohafnates. In: Nuclear Magnetic Resonance in Crystals. Krasnoyarsk: IF SO AN SSSR; 1978. P. 112–121. (In Russ.).
  24. Cherkasov B.I., Moskvich Yu.N., Davidovich R.L. Anionnoe dvizhenie v geksaftortsirkonatakh rubidiya i tseziya = [Anionic motion in rubidium and cesium hexafluorozirconates]. In: Nuclear Magnetic Resonance in Crystals. Krasnoyarsk: IF SO ANSSSR; 1981. P. 117–132. (In Russ.).
  25. Moskvich Yu.N., Cherkasov B.I., Sukhovskoi A.A., Davidovich R.L. Ionnye dvizheniya i provodimost’ v geksaftorotitanatakh rubidiya i tseziya = [Ionic motions and conductivity in rubidium and cesium hexafluorotitanates]. Solid State Phys. 1988;30:504–511. (In Russ.).
  26. Gaumet V., Latouche C., Avignant D., Dupuis J. Enhancement of cationic conductivity in some heptafluorozirconates due to a paddle-wheel mechanism. Solid State Ionics. 1994;74(1/2):29–35. doi: 10.1016/0167-2738(94)90433-2.
  27. Davidovich R.L., Kaidalova T.A., Levchishina T.F., Sergienko V.I. Atlas of Infrared Absorption Spectra and X-ray Diffraction Data for Group IV and V Metal Fluoride Complex. Moscow: Nauka; 1972. 250 p. (In Russ.).
  28. Gabuda S.P., Davidovich R.L., Kozlova S.G., Moroz N.K. Phase transitions, and ionic mobility in thallium fluorozirconates. J. Structur. Chem.1996;37:340–342.
  29. Hurst H.J., Taylor J.C. The crystal structure of ammonium heptafluorozirconate and the disorder of the heptafluorozirconate ion. Acta Crystallographica. 1970;B26:417–421.
  30. Udovenko A.A., Laptash N.M. Orientational disorder in crystal structures of (NH4)3ZrF7 and (NH4)3NbOF6. J. Struct. Chem. 2008;49(3):482–488.
  31. Dova M.T., Caracoche M.C., Rodriguez A.M., Martinez J.A., Rivas P.C., Lopez Garcia A.R., Viturro H.R. Time-differential perturbed-angular-correlation study of phase transitions and molecular motions in K3(Hf,Zr)F7. Physical Review B. 1989;40(16):11258–11263. doi: 10.1103/PhysRevB.40.11258.
  32. Boyer P., de Damasceno O., Fabris J.D., Ferreira J.R.F., de Oliveira A.L., de Oliveira J. Etude par correlation angulaire γ-γ perturbee des aspects statiques et dynamiques de la structure du heptafluorohafniate de sodium. Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1976;37(11):1019–1029.
  33. Krylov A.S., Krylova S.N., Laptash N.M., Vtyurin A.N. Raman scattering study of temperature induced phase transitions in crystalline ammonium heptafluorozirconate, (NH4)3ZrF7. Vibrational Spectroscopy. 2012;62:258–263.
  34. Buslaev Y., Pachomov V.I., Tarasov V.P., Zege V.N. F19 spin-lattice relaxation and X-ray study of phase transition in solid K3ZrF7 and (NH4)3ZrF7. Physica Status Solidi (B). 1971;44(1):K13–K15.
  35. Misyul S.V., Mel’nikova S.V., Bovina A.F., Laptash N.M. Optical and X-ray diffraction studies of the symmetry of distorted phases of the (NH4)3ZrF7 crystal. Physics of the Solid State. 2008;50(10):1951–1956. doi: 10.1134/S1063783408100272.
  36. Bogdanov E.V., Molokeev M.S., Gorev M.V., Kartashev A.V., Laptash N.M., Flerov I.N. Phase transition in RbCdZrF7: Structure and thermal properties. Journal of Fluorine Chemistry. 2021;245:109748. doi: 10.1016/j.jfluchem.2021.109748.
  37. Lahajnar G., Pintar M., Slivnik J. Preliminary NMR data of ammonium heptafluorozirconate. Croatica Chemica Acta. 1966;38:63–64.
  38. Tarasov V.P., Buslaev Yu.A. Molecular motion and configuration of ZrF73-. Journal of Structural Chemistry. 1969;10(5):930–932. (In Russ.).
  39. Tarasov V.P., Buslaev Yu.A. Hindered motion of heavy ions in ammonium fluorocomplexes of zirconium and hafnium. Izvestiya AN SSSR. Inorganic Materials. 1969;5(6):1150–1151. (In Russ.).
  40. Kavun V.Ya., Sergienko V.I., Chernyshov B.N., Bukveckiy B.V., Didenko N.A., Bakeeva N.G., Ignatyeva L.N. Osobennosti vnutrennei podvizhnosti atomnykh gruppirovok i superionnaya provodimost’ v geksaftorotsirkonatakh (gafnatakh) ammoniya po dannym YAMR 1H, 19F = [Peculiarities of the internal mobility of atomic groups and superionic mobility in hexafluorozirconates (hafnates) based on 1H, 19F NMR data]. Zhurnal Neorganicheskoy Himii. 1991;36(4):1004–1010. (In Russ.).
  41. McKee M.L. Fluctional molecules. WIREs Computational Molecular Science. 2011;1(6):943–951. doi: 10.1002/wcms.47.
  42. Udovenko A., Slobodyuk A., Emelina T., Laptash N. Fluxional seven-coordinated fluoro- and oxofluorotantalates. Acta Crystallographica Section B. 2019;75:1115–1125. doi: 10.1107/S2052520619013465.
  43. Avignant D., Mansouri I., Cousseins J.C. Study of the ionic conductivity of some fluorides of monovalent and tetravalent elements. Journal of Fluorine Chemistry. 1980;16(7):592–593.
  44. Reynhardt E.C., Pratt J.C., Watton A., Petch H.E. NMR study of molecular motions and disorder in K3ZrF7 and K2TaF7. Journal of Physics C: Solid State Physics. 1981;14(31):4701–4715.
  45. Kavun V.Y., Tkachenko I.A., Didenko N.A., Slobodyuk A.B., Sergienko V.I. Ionic mobility in heptafluorozirconantes with a mixed cationic sublattice as probed by 1H and 19F NMR. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2010;55(8):1179–1183. doi: 10.1134/S0036023610080048.
  46. Kavun V.Ya., Tkachenko I.A., Didenko N.A., Sergienko V.I. Ionic mobility in ammonium-rubidium heptafluorozirconate (NH4)2.4Rb0.6ZrF7by (1H, 19F) NMR data. Journal of Structural Chemistry. 2008;49(6):1042–1047. doi: 10.1007/s10947-008-0176-3.
  47. Slobodyuk A.B., Kavun V.Y., Didenko N.A. Ionic mobility and 19FMAS NMR spectra of lithium octafluorozirconate Li4ZrF8. Journal of Structural Chemistry. 2013;54(Suppl. 1):168–173. doi: 10.1134/S0022476613070172.
  48. Bukvetskiy B.V., Gerasimenko A.V., Davidovich R.L. Kristallicheskiye strukturyi ftotocirkonatov ammoniya NH4ZrF5·0.75H2Oi (NH4)2ZrF6 = [Crystal structures of NH4ZrF5·0.75H2O and (NH4)2ZrF6 ammonium fluorozirconates]. Koordinacionnaya Himiya. 1991;17(1):35–43. (In Russ.).
  49. Voit E.I., Voit A.V., Kavun V.Ya., Sergienko V.I. Quantum-chemical study of potassium and ammonium hexafluorozirconates. Journal of Structural Chemistry. 2004;45(4):610–616. doi: 10.1007/s10947-005-0035-4.
  50. Kavun V.Ya., Gerasimenko A.V., Sergienko V.I., Davidovich R.L., Sorokin N.I. O mehanizme vozniknoveniya superionnoy provodimosti vo ftorokompleksah tsirkoniya s kationami ammoniya, talliya(I) i schelochnyikh metallov = [About the mechanism of superionic conduction onset in zirconium and hafnium fluorocomplexes with ammonium, tallium(I) and alcali metal cations]. Zhurnal Prikladnoy Khimii. 2000;73(6):966–970. (In Russ.).
  51. Mallikarjunaiah K., Ramesh K., Damle R. 1H and 19F NMR relaxation time studies in (NH4)2ZrF6 superionic conductor. Applied Magnetic Resonance. 2009;35(3):449–458. doi: 10.1007/s00723-009-0176-2.
  52. Gordienko P.S., Vasilyev A.M., Epov D.G. Polimorfnyie prevrascheniya v geksaftorotsirkonate ammoniya = [Polymorphic transformations in ammonium hexafluorozirconate]. Russian Journal of Physical Chemistry.1982;56(3):542–545. (In Russ.).
  53. Kavun V.Y., Uvarov N.F., Didenko N.A., Polyantsev M.M. Synthesis, thermal properties, ion mobility, and conductivity in non-stoichiometric phases (NH4)2-xZrF6-x (0 < x ≤ 0.25). Journal of Solid State Chemistry. 2021;296:122025. doi: 10.1016/j.jssc.2021.122025.
  54. Clearfield A. Structural concepts in inorganic proton conductors. Solid State Ionics. 1991;46(1):35–43. doi: 10.1016/0167-2738(91)90126-V.
  55. Voit E.I., Didenko N.A. Stroyeniye kristallogidratov pentaftoridocirkonievoy kislotyi po dannyim kolebatel’noy spektroskopii = [Structure of pentafluorozirconic acid hydrates according to vibrational spectroscopy data]. Optics and Spectroscopy. 2022;130(9):1355–1365. doi: 10.21883/OS.2022.09.53295.3042-22. (In Russ.).
  56. Gerasimenko A.V., Kavun V.Ya., Didenko N.A., Slobodyuk A.B., Sergienko V.I., Uvarov N.F. Synthesis, structure, ion mobility, phase transitions, and ion transport in rubidium ammonium hexafluorozirconates. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2007; 52(5):713–726. doi: 10.1134/S0036023607050117.
  57. Kavun V.Ya., Gerasimenko A.V., Slobodyuk A.B., Didenko N.A., Sergienko V.I., Uvarov N.F. Ionic mobility and structure of fluorozirconates Rb2-x(NH4)xZrF6 (x > 1.5) by NMR, X-ray structure analysis, and impedance spectroscopy. Russian Journal of Electrochemistry. 2007;43(5):537–544. doi: 10.1134/S1023193507050060.
  58. Kavun V.Ya., Didenko N.A., Slobodyuk A.B., Tkachenko I.A., Gerasimenko A.V., Sergienko V.I., Uvarov N.F. Ion mobility, phase transitions, and ion transport in potassium-ammonium hexafluorozirconates. Journal of Structural Chemistry. 2005;46(5):839–847. doi: 10.1007/s10947-006-0208-9.
  59. Kavun V.Ya., Didenko N.A., Gerasimenko A.V., Slobodyuk A.B., Tkachenko I.A., Sergienko V.I., Uvarov N.F. Synthesis and complex study of potassium ammonium hexafluorozirconates: ion mobility, phase transitions, and ionic conductivity in K2-n(NH4)nZrF6 compounds as probed by NMR, DTA, and impedance spectroscopy. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2006;51(4):513–520. doi: 10.1134/S0036023606040012.
  60. Gerasimenko A.V., Tkachenko I.A., Kavun V.Ya., Didenko N.A., Sergienko V.I. Synthesis and complex investigation of potassium ammonium hexafluorozirconates: I. Synthesis and X-ray diffraction study of K2-x(NH4)xZrF6 (0 < x < 2) crystals. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2006;51(1):9–22. doi: 10.1134/S0036023606010037.
  61. Kavun V.Ya., Sergienko V.I., Davidovich R.L., Gabuda S.P. NMR studies of internal mobility and phase transitions in ammonium-thalium hexafluorozirconates. Journal of Structural Chemistry. 2000;41(1):153–156. doi: 10.1007/BF02684741.
  62. Kavun V.Ya., Sergienko V.I., Gabuda S.P., Davidovich R.L. 19F and 1H NMR spectra, ionic mobility, and phase transitions in thallium(I)/ammonium hexafluorohafnates. Journal of Structural Chemistry. 2000;41(4):597–602. doi: 10.1007/BF02683921.
  63. Gabuda S.P., Davidovich R.L., Kozlova S.G., Moroz N.K. Phase transitions and ionic mobility in thallium fluorozirconates. Journal of Structural Chemistry. 1996;37(2):340–342. doi: 10.1007/bf02591066.
  64. Hagenmuller P. Inorganic Solid Fluorides: Chemistry and Physics. New York: Academic Press; 1985.
  65. Gerasimenko A.V., Kavun V.Ya., Sergienko V.I., Antokhina T.F. Crystal structure, phase transition, and ion dynamics in Li(NH4)6Zr4F23. Russian Journal of Coordination Chemistry. 1999;25(8):562–568.
  66. Kavun V.Y., Sergienko V.I., Antokhina T.F., Uvarov N.F. Internal mobility, phase transitions, and ionic conductivity in Na(NH4)6Zr4F23 and Li(NH4)6Zr4F23. Journal of Structural Chemistry. 2002;43(3):429–435. doi: 10.1023/A:1020333031445.
  67. Kavun V.Ya., Antokhina T.F., Savchenko N.N., Podgorbunsky A.B., Kaidalova T.A. Internal mobility, phase transitions, and ionic conductivity in (NH4)6KZr4F23 and (NH4)6KHf4F23. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2015;60(5):610–618. doi: 10.1134/S0036023615050095.
  68. Kavun V.Y., Antokhina T.F., Savchenko N.N., Podgorbunskii A.B., Kaidalova T.A. Phase transitions, ion mobility, and conductivity in fluoro complexes (NH4)6RbZr4F23 and (NH4)6RbHf4F23. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2016;61(6):740–749. doi: 10.1134/S0036023616060115.
  69. Kavun V.Y., Antokhina T.F., Savchenko N.N., Polyantsev M.M., Podgorbunskii A.B., Kaidalova T.A. Thermal and transport properties, ion mobility, and phase transitions in compounds (NH4)6CsZr4F23 and (NH4)6CsHf4F23. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2018;63(1):78–88. doi: 10.1134/S0036023618010102.
  70. Antokhina T.F., Ignat’eva L.N., Savchenko N.N., Kaidalova T.A. Synthesis and characterization of new fluoro complexes of group IV elements: (NH4)6MA4F23and (NH4)6MA3A′F23 (M = Li, Na; A, A′ = Zr, Hf). Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2004;49(9):1314–1320.
  71. Kavun V.Ya., Antokhina T.F., Savchenko N.N., Polyantsev M.M., Brovkina O.V. Synthesis, ion mobility, and phase transition in the (NH4)6LiHf2Zr2F23 compound. Journal of Structural Chemistry. 2018;59(8):1825–1832. doi: 10.1134/S0022476618080103.
  72. Kavun V.Y., Antokhina T.F., Savchenko N.N., Polyantsev M.M., Podgorbunskii A.B. Ion mobility, phase transitions and conductivity in the fluorides (NH4)6LiZr3HfF23 and (NH4)6LiZrHf3F23. Journal of Solid State Chemistry. 2019;270:524–530. doi: 10.1016/j.jssc.2018.12.024.
  73. Gabuda S.P., Lundin A.G. Vnutrenniaya podvizhnost’ v tverdom tele = [Internal mobility in the solid state]. Novosibirsk: Nauka; 1986. 176 p. (In Russ.).
  74. Hoppe V.R., Mehlhorn D. Die Kristallstruktur von K2ZrF6. Zeitschrift fur Anorganische und Allgemeine Chemie. 1976;425(3):200–208.
  75. Tkachenko I.A. Osobennosti stroeniya i dinamiki ionnyikh dvizheniy v kompleksnyikh ftoridah tsirkoniya, gafniya i niobiya(V) s geteroatomnoy kationnoy podreshetkoy = [Peculiarities of the structure and ion motion dynamics in complex zirconium, hafnium and niobium(V) fluorides with heteroatomic cationic sublattice]: diss. … cand. chem. sci. Vladivostok: ICH DVO RAN; 2005. 183 s. (In Russ.).
  76. Tarasov V.P. Dinamicheskiye sostoyaniya kompleksnyikh geksa- and geptaftoranionov v kristallah = [Dynamic states of complex hexa- and heptafluorideanions in crystals]: diss. … cand. phys.-matem. sciences. Moskva: IONH AN SSSR; 1969. 115 s. (In Russ.).
  77. Kavun V.Ya., Sergienko V.I., Uvarov N.F. Ion mobility and electrophysical properties of potassium hexafluorozirconate K2ZrF6. Journal of Structural Chemistry. 2003;44(5):796–802. doi: 10.1023/B:JORY.0000029817.42405.48.
  78. Chebotin V.N., Perfilyev M.F. Electrohimiya tverdyikh electrolitov = [Electrochemistry of solid electrolytes]. M.: Himiya; 1976. (In Russ.).
  79. Tkachenko I.A., Gerasimenko A.V., Merkulov E.B., Kavun V.Ya., Sergienko V.I., Uvarov N.F. Synthesis, structure, internal mobility, and ionic conductivity in NH4SnZrF7 and KSnZrF7. Russian Journal of Inorganic Chemistry. 2004;49(8):1217–1224.
  80. Gayvoronskaya K.A., Didenko N.A., Slobodyuk A.B., Gerasimenko A.V., Kavun V.Y. Synthesis, crystal structure, NMR data and thermogravimetrical properties of novel zirconium fluoride LiK10Zr6F35·2H2O. Journal of Fluorine Chemistry. 2011;132(12):1159–1164. doi: 10.1016/j.jfluchem.2011.07.007.
  81. Avignant D., Mansouri I., Cousseins J.C., Alizon J., Battut J.P., Dupuis J., Robert H. NMR study of ionic motions in both Tl2Zr3OF12 and Rb2Zr3OF12 oxyfluorides. Materials Research Bulletin. 1982;17(9):1103–1109. doi: 10.1016/0025-5408(82)90057-5.
  82. Mansouri I., Avignant D. Crystal structure of a new oxyfluoride: Tl2Zr3OF12. Journal of Solid State Chemistry. 1984;51(1):91–99. doi: 10.1016/0022-4596(84)90319-0.
  83. Avignant D., Mansouri I., Chevalier R., Cousseins J.C. Crystal structure and fast ionic conduction of TIZrF5. Journal of Solid State Chemistry. 1981;38(1):121–127.
  84. Gao Y., Guery J., Le Bail A., Jacoboni C. Synthesis, X-ray single crystal structure determination, and dehydration study of BaZr2F10·2H2O by X-ray powder thermodiffractometry. Journal of Solid State Chemistry. 1992;98(1):11–24. doi: 10.1016/0022-4596(92)90065-4.
  85. Gaumet V., El-Ghozzi M., Avignant D. Crystal Structure of KZrF5. Eur. J. Solid State Inorganic Chemistry. 2010;34:283–293. doi: 10.1002/chin.199738010.
  86. Alizon J., Battut J.P., Dupuis J., Robert H., Mansouri I., Avignant D. NMR study of both 19F and 205Tl motions in TlZrF5. Solid State Communications. 1983;47(12):969–972. doi: 10.1016/0038-1098(83)90980-8.
  87. Gabuda S.P., Kozlova S.G., Davidovich R.L. Unexpected chemical bonding in quantum confined layers in TlZrF5. Chemical Physics Letters. 1996;254:89–93. doi: 10.1016/0009-2614(96)00281-3.
  88. Voit E.I., Slobodyuk A.B., Didenko N.A. A study of the composition, ionic and molecular mobility, and thermal properties of ammonium pentafluoridozirconate hydrates. Optics and Spectroscopy. 2018;125:888–897. doi: 10.1134/S0030400X19020243.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
2. Fig. 1. NMR spectra 1H of the initial and doped ammonium heptafluorozirconate with temperature variations

Download (163KB)
3. Fig. 2. Dependence of the ionic conductivity σ on the composition of the cationic sublattice of solid solutions (NH4)xRb3–xZrF7

Download (62KB)
4. Fig. 3. Fragment of the crystal structure of the compound (NH4)2ZrF6

Download (234KB)
5. Fig. 4. Temperature dependences of ionic conductivity for samples (NH4)6KHf4F23 and (NH4)6KZr4F23

Download (138KB)
6. Fig. 5. NMR spectra 19F K10LiZr6F35 2H2O (solid lines) and K10LiZr6F35 (dashed lines) at different temperatures

Download (182KB)

Copyright (c) 2024 Russian Academy of Sciences