Thermodynamic study of zinc antimonides by the electromotive force measurements

Айтакин Р. Агаева; Сакина Х. Мамедова; Дунья М. Бабанлы; Ясин И. Джафаров; Дильгам Б. Тагиев

doi:10.17308/kcmf.2025.27/12485

Айтакин Р. Агаева Французско-Азербайджанский университет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, Низами 183, Баку AZ1000, Азербайджан https://orcid.org/0000-0001-8184-0762
Сакина Х. Мамедова Институт Шарля Садрона CNRS, Страсбург 67200, Франция https://orcid.org/0009-0000-5731-9993
Дунья М. Бабанлы Французско-Азербайджанский университет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, Низами 183, Баку AZ1000, Азербайджан; Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида 113, Баку AZ-1143, Азербайджан https://orcid.org/0000-0002-8330-7854
Ясин И. Джафаров Бакинский государственный университет ул. З. Халилова, 23, Баку АZ-1048, Азербайджан https://orcid.org/0000-0002-3968-8725
Дильгам Б. Тагиев Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида 113, Баку AZ-1143, Азербайджан https://orcid.org/0000-0002-8312-2980

DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/12485

Ключевые слова: ZnSb, Zn4Sb3, метод ЭДС, электрохимические цепи, глицериновый электролит, термодинамические функции

Аннотация

Антимониды цинка и фазы на их основе представляют большой интерес как широко распространенные, недорогие и экологически безопасные термоэлектрические материалы. В настоящей работе представлены результаты термодинамического исследования соединений ZnSb и Zn₄Sb₃ низкотемпературными (300–430 К) измерениями электродвижущих сил (ЭДС) концентрационных цепей с глицериновым электролитом.

Измерения ЭДС проводились с использованием равновесных образцов из двухфазных областей ZnSb + Sb и ZnSb + Zn₄Sb₃ на фазовой диаграмме бинарной системы Zn–Sb. Фазовые составы полученных образцов контролировали методом рентгенофазового анализа (РФА). Из данных измерений методом наименьших квадратов получены линейные уравнения температурных зависимостей ЭДС, на основании которых и использованием соответствующих термодинамических выражений рассчитаны парциальная молярная свободная энергия Гиббса, энтальпия и энтропия цинка в сплавах.

На основе фазовой диаграммы системы Zn-Sb определены потенциалобразующие реакции для обоих бинарных соединений, на основании которых были рассчитаны их стандартные термодинамические функции образования и стандартные энтропии. Проведен сравнительный анализ полученных результатов с имеющимися литературными данными.

Результаты настоящей работы обладают высокой точностью и являются новым вкладом в термодинамику антимонидов цинка

Скачивания

Биографии авторов

Айтакин Р. Агаева, Французско-Азербайджанский университет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, Низами 183, Баку AZ1000, Азербайджан

аспирантка по физической химии, лаборант кафедры физики Французско-Азербайджанского университета (Баку, Азербайджан)

Сакина Х. Мамедова, Институт Шарля Садрона CNRS, Страсбург 67200, Франция

аспирантка по полимерной химии Института Шарля Садрона CNRS (Страсбург, Франция)

Дунья М. Бабанлы, Французско-Азербайджанский университет, Азербайджанский государственный университет нефти и промышленности, Низами 183, Баку AZ1000, Азербайджан; Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида 113, Баку AZ-1143, Азербайджан

д. х. н., доцент, заведующая кафедрой химии, научный сотрудник-преподаватель Французско-Азербайджанского университета (Баку, Азербайджан)

Ясин И. Джафаров, Бакинский государственный университет ул. З. Халилова, 23, Баку АZ-1048, Азербайджан

д. х. н., профессор, заведующий кафедрой общей и неорганической химии Бакинского государственного университета (Баку, Азербайджан)

Дильгам Б. Тагиев, Институт катализа и неорганической химии, пр. Г. Джавида 113, Баку AZ-1143, Азербайджан

профессор (химия), академик, вице-президент Национальной академии наук Азербайджана, генеральный директор «Института катализа и неорганической химии» (Баку, Азербайджан)

Литература

Assoud A., Kleinke H. Metal pnictides: structures and thermoelectric properties. Handbook of Solid-State сhemistry. 2017. https://doi.org/10.1002/9783527691036.hsscvol1012

Rasaki S. A., Thomas T., Yang M. Iron based chalcogenide and pnictide superconductors: from discovery to chemical ways forward. Progress in Solid State Chemistry. 2020; 59: 100282. https://doi.org/10.1016/j.progsolidstchem.2020.100282

Kumar J., Gautam G. S. Study of pnictides for photovoltaic applications. Physical Chemistry Chemical Physics. 2023;25(13): 9626–9635. https://doi.org/10.1039/D2CP04453F

Marchand R., Jeitschko W. Ternary lanthanoidtransition metal pnictides with ThCr2Si2-type structure. Journal of Solid-State Chemistry. 1978;24(3-4): 351–357. https://doi.org/10.1016/0022-4596(78)90026-9

Liu Z. K., Jiang J., Zhou B., …Chen Y. L. A stable threedimensional topological Dirac semimetal Cd3As2. Nature Materials. 2014;13(7): 677–681. https://doi.org/10.1038/nmat3990

Liu Z. K., Zhou B., Zhang Y., … Chen Y. L. Discovery of a three-dimensional topological Dirac semimetal, Na3Bi. Science. 2014;343(6173): 864–867. https://doi.org/10.1126/science.1245085

Wang Z., Weng H., Wu Q., Dai X., Fang Z. Threedimensional Dirac semimetal and quantum transport in Cd3As2. Physical Review B – Condensed Matter and Materials Physics. 2013;88(12): 125427. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.88.125427

Crassee I., Sankar R., Lee W. L., Akrap A., Orlita M. 3D Dirac semimetal Cd3As2: a review of material properties. Physical Review Materials. 2018;2(12): 120302. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.2.120302

Song X., Finstad T. G. Review of research on the thermoelectric material ZnSb. Thermoelectrics for power generation: a look at trends in the technology. 2016. https://doi.org/10.5772/65661

Castellero A., Fanciulli C., Carlini R., … Baricco M. Effect of processing routes on the synthesis and properties of Zn4Sb3 thermoelectric alloy. Journal of Alloys and Compounds. 2015;653: 54–60. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.08.251

Sreeparvathy P. C., Kanchana V., Vaitheeswaran G. Thermoelectric properties of zinc based pnictide demiconductors. Journal of Applied Physics. 2016;119(8): 085701. https://doi.org/10.1063/1.4942011

Bjerg L., Madsen G. K. H., Iversen B. B. Enhanced thermoelectric properties in zinc antimonides. Chemistry of Materials. 2011;23(17): 3907–3914. https://doi.org/10.1021/cm201271d

Snyder G. J., Toberer E. S. Complex thermoelectric materials. Nature Materials. 2008;7(2): 105–114. https://doi.org/10.1038/nmat2090

Ostovari Moghaddam A., Shokuhfar A., Zhang Y., … Cabot A. Ge-doped ZnSb/β-Zn4Sb3 nanocomposites with high thermoelectric performance. Advanced Materials Interfaces. 2019; 6(18): 1900467. https://doi.org/10.1002/admi.201900467

Carlini R., Marré D., Pallecchi I., Ricciardi R., Zanicchi G. Thermoelectric properties of Zn4Sb3 intermetallic compound doped with aluminum and silver. Intermetallics. 2014; 45: 60–64. https://doi.org/10.1016/j.intermet.2013.10.002

Gau H. J., Yu J. L., Wu C. C., Kuo Y. K., Ho C. H. Thermoelectric properties of Zn–Sb alloys doped with In. Journal of Alloys and Compounds. 2009;480(1): 73–75. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.09.202

Liu X. J., Wang C. P., Ohnuma I., Kainuma R., Ishida K. Thermodynamic assessment of the phase diagrams of the Cu-Sb and Sb-Zn systems. Journal of Phase Equilibria. 2000; 21: 432–442. https://doi.org/10.1361/105497100770339608

Izard V., Record M. C, Tedenac J. C., Fries S. G. Discussion on the stability of the antimony zinc binary phases. Calphad. 2001;25(4): 567–581. https://doi.org/10.1016/S0364-5916(02)00008-1

Adjadj F., Belbacha E. D., Bouharkat M., Kerboub A. Crystallographic study of the intermediate compounds SbZn, Sb3Zn4 and Sb2Zn3. Journal of Alloys and Compounds. 2006;419(1-2): 267–270. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2005.09.068

Adjadj F., Belbacha E. D., Bouharkat M. Differential calorimetric analysis of the binary system Sb–Zn. Journal of alloys and compounds. 2007;430(1-2): 85–91. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.04.051

Li J. B., Record M. C., Tedenac J. C. A thermodynamic assessment of the Sb–Zn system. Journal of Alloys and compounds. 2007;438(1-2): 171–177. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.08.035

Okamoto H. Sb-Zn (Antimony-Zinc). Journal of Phase Equilibria and Diffusion. 2008;29: 290–290. https://doi.org/10.1007/s11669-008-9315-y

Lo C. W. T., Svitlyk V., Chernyshov D., Mozharivskyj Y. The updated Zn–Sb phase diagram. How to make pure Zn13Sb10 (“Zn4Sb3”). Dalton Transactions. 2018;47(33): 11512–11520. https://doi.org/10.1039/C8DT02521E

Кubaschewski O., Alcock C. B., Spenser P. Materials Thermochemistry. Oxford: Pergamon Press; 1993. 6th edn. 363 p.

Iorish V. S., Yungman V. S. (eds.). Thermal constants of substances: database, 2006. Version 2.

Barin I. Thermochemical data of pure substances. New York: Wiley-VCH; 2008. 3rd edn. 2003 p.

Schlesinger M. E. Thermodynamic properties of solid binary antimonides. Chemical Reviews. 2013;113(10): 8066–8092. https://doi.org/10.1021/cr400050e

Aliev Z. S., Babanly M. B., Shevelkov A. V., Babanly D. M., Tedenac J. C. Phase diagram of the Sb–Te–I system and thermodynamic properties of SbTeI. International journal of materials research. 2012;103(3): 290–295. https://doi.org/10.3139/146.110646

Imamaliyeva S. Z., Musayeva S. S., Babanly D. M., Jafarov Y. I., Taghiyev D. B., Babanly M. B. Determination of the thermodynamic functions of bismuth chalcoiodides by EMF method with morpholinium formate as lectrolyte.

Thermochimica Acta. 2019;679: 178319. https://doi.org/10.1016/j.tca.2019.178319

Aliev Z. S., Musayeva S. S., Imamaliyeva S. Z., Babanly M. B. Thermodynamic study of antimony chalcoiodides by EMF method with an ionic liquid. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry. 2018;133: 1115–1120. https://doi.org/10.1007/s10973-017-6812-4

Alverdiyev I. J., Aliev Z. S., Bagheri S. M., Mashadiyeva L. F., Yusibov Y. A., Babanly M. B. Study of the 2Cu2S+ GeSe2 ↔ 2Cu2Se+ GeS2 reciprocal system and thermodynamic properties of the Cu8GeS6−xSex solid solutions. Journal of Alloys and Compounds. 2017;691: 255–262. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.08.251

Mashadiyeva L. F., Mammadli P. R., Babanly D. M., Ashirov G. M., Shevelkov A. V., Yusibov Y. A. Solid-phase equilibria in the Cu-Sb-S system and thermodynamic properties of copper-antimony sulfides. JOM. 2021;73: 1522–1530. https://doi.org/10.1007/s11837-021-04624-y

Babanly M. B., Yusibov Y. A. Electrochemical methods in thermodynamics of inorganic systems. Baku: BSU ubl.; 2011. 306 p.

Morachevsky A. G., Voronin G. F., Heiderich V. A., Kutsenok I. B. Electrochemical methods of research in the thermodynamics of metallic systems. ICC “Akademkniga” Publ.; 2003. 334 p.

Babanly M. B., Yusibov Y. A., Babanly N. B. In: Electromotive force and measurement in several systems. S. ara

(ed.). London: Intechweb. Org; 2011. p. 57. https://doi.org/10.5772/28934

Shao Y. (ed.). Electrochemical cells – new advances in fundamental research and applications. London: inTech; 2012. 252 p. https://doi.org/10.5772/1890

Goryacheva V. I., Geiderikh V. A. The thermodynamic properties of phases in the zinc-antimony system. Russian Journal of Physical Chemistry A. 1997;71(4): 526–529.

Goncharuk L. V, Lukashenko G. M. Thermodynamic properties of zinc antimonides. Journal of Applied chemistry. USSR (Engl. Transl.). 1988;62(8): 10.

Zabdyr L. A. Thermodynamic properties of zinc antimonides. Canadian Metallurgical Quarterly. 1980;19(4): 359–362. https://doi.org/10.1179/cmq.1980.19.4.359

Eremenko V. N., Lukashenko G. M. Thermodynamic properties of higher zinc antimonide. Russian Journal of Inorganic Chemistry. (Engl. Transl.). 1963;8(3).

Hirayama C. The dissociation pressure of zinc antimonide. Journal of The Electrochemical Society. 1963;110(1): 88. https://doi.org/10.1149/1.2425680

Stolyarova T. A. Enthalpy of formation of zinc antimonite ZnSb. Russian Metallurgy (Metally). (Engl. Transl.). 1979;6: 61.

Shchukarev S. A., Morozova M. P., Sapozhnikov Yu. P. Enthalpy of formation of compounds of zinc with tntimony. Journal of General Chemistry of the USSR (Engl. Transl.). 1956;26: 321.

Liu Y., Tedenac J. C. Thermodynamic modeling of the Cd–Sb–Zn ternary system. Calphad. 2009;33(4): 684–

https://doi.org/10.1016/j.calphad.2009.08.006

Li J. B., Record M. C., Tedenac J. C. A thermodynamic assessment of the Sb–Zn system. Journal of Alloys and Compounds. 2007;438(1-2): 171–177. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2006.08.035

Seltz H., DeWitt B. J. A thermodynamic study of the lead-antimony system. Journal of the American Chemical Society. 1939;61(10): 2594–2597. https://doi.org/10.1021/ja01265a007

Zabdyr L. A. Equilibrium diagram and thermodynamic properties of cadmium—antimony binary alloys. Critical assessment. Calphad. 1993;17(2): 125–132. https://doi.org/10.1016/0364-5916(93)90012-Z

Термодинамическое исследование антимонидов цинка методом электродвижущих сил

Аннотация

Скачивания

Биографии авторов

Литература