Двойной борат NaScB2O5: синтез, термическое поведение, электропроводность и электронная структура

  • Андрей Николаевич Соболев ФГБУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 8, Улан-Удэ 670047, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова», ул. Смолина 24а, Улан-Удэ 670000, Российская Федерация https://orcid.org/0009-0006-2286-1380
  • Евгений Викторович Ковтунец ФГБУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 8, Улан-Удэ 670047, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова», ул. Смолина 24а, Улан-Удэ 670000, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0003-1301-1983
  • Татьяна Сергеевна Спиридонова ФГБУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 8, Улан-Удэ 670047, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова», ул. Смолина 24а, Улан-Удэ 670000, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-7498-5103
  • Александр Иванович Богданов ФГБУН Институт геохимии им. А. П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Фаворского строение 1а, Иркутск 664033, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0001-8639-4730
  • Алексей Карпович Субанаков ФГБУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 8, Улан-Удэ 670047, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова», ул. Смолина 24а, Улан-Удэ 670000, Российская Федерация https://orcid.org/0000-0002-1674-283X
DOI: https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/13022
Ключевые слова: натрий скандиевый борат, твердофазный синтез, термический анализ, ИК спектроскопия, электропроводность

Аннотация

Цель статьи: Двойной борат натрия скандия – NaScB2O5, кристаллическая структура которого решена Бэккером и Хэлдом в 2001 г., остается малоисследованным объектом. Кристаллическая структура имеет широкие каналы, которые могут предполагать ионную проводимость ионов натрия. Исходя из этого, целью исследования стало изучение ионной проводимости данного объекта, а также изучение его термического поведения, измерение ИК спектра и расчет электронной структуры квантово-химическим методом.

Экспериментальная часть: Успешно получен двойной борат натрия скандия NaScB2O5 методом твердофазных реакций. Проведены исследованния с помощью термического анализа, ИК-спектроскопии, ионной проводимости, теоретических оценок энергии активации, путей переноса ионов и первоначальных расчетов электронной структуры для NaScB2O5.

Выводы: Кристаллографические параметры образца NaScB2O5, полученного методом твердофазного синтеза, уточнены методом Ритвельда: моноклинная сингония (пр. гр. P21/c), a = 7.2460(2) Å, b = 9.7887(3) Å, c = 5.9289(2) Å, β = 71.318(1) °, Z = 4, V = 398.37(2) Å3, Rwp = 2.81, GOF = 1.64. Двойной борат плавится инконгруэнтно при температуре 1090 °C. Расчет методом ab initio ИК спектра NaScB2O5 и сравнение его с экспериментальным показало хорошее совпадение положения пиков, что позволило интерпретировать природу колебаний. Расчетный энергетический барьер по иону кислорода составил 0.998 эВ, значение которого близко к экспериментально определенному 0.9 эВ. Значение ионной проводимости при 1023 K составило 0.6·10–3 См/см. Ширина запрещённой зоны составила около
6.83 эВ

Скачивания

Данные скачивания пока не доступны.

Биографии авторов

Андрей Николаевич Соболев, ФГБУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 8, Улан-Удэ 670047, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова», ул. Смолина 24а, Улан-Удэ 670000, Российская Федерация

лаборант кафедры общей и аналитической химии, Бурятский государственный университет им. Доржи Банзарова (Улан-Удэ, Российская Федерация)

Евгений Викторович Ковтунец, ФГБУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 8, Улан-Удэ 670047, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова», ул. Смолина 24а, Улан-Удэ 670000, Российская Федерация

н. с. лаборатории оксидных систем, Байкальский институт природопользования СО РАН (Улан-Удэ, Российская Федерация)

Татьяна Сергеевна Спиридонова, ФГБУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 8, Улан-Удэ 670047, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова», ул. Смолина 24а, Улан-Удэ 670000, Российская Федерация

к. х. н., с. н. с. лаборатории оксидных систем, Байкальский институт природопользования СО РАН (Улан-Удэ, Российская Федерация)

Александр Иванович Богданов, ФГБУН Институт геохимии им. А. П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Фаворского строение 1а, Иркутск 664033, Российская Федерация

к. ф.-м. н., с. н. с. лаборатории монокристаллов, Институт геохимии им. А.П. Виноградова СО РАН (Иркутск, Российская Федерация)

Алексей Карпович Субанаков, ФГБУН Байкальский институт природопользования Сибирского отделения Российской академии наук, ул. Сахьяновой 8, Улан-Удэ 670047, Российская Федерация; ФГБОУ ВО «Бурятский государственный университет имени Доржи Банзарова», ул. Смолина 24а, Улан-Удэ 670000, Российская Федерация

к. х. н., заведующий лаборатории оксидных систем, Байкальский институт природопользования СО РАН (Улан-Удэ, Российская Федерация)

Литература

Huang C., Mutailipu M., Zhang F., … Pan S. Expanding the chemistry of borates with functional [BO2]− anions. Nature Communications. 2021;12: 1–8. https://doi.org/10.1038/s41467-021-22835-4

Li S., Li W., Li X., … Li C. A bifunctional primitive strategy induces enhancements of large second harmonic generation and wide UV transmittance in rare-earth borates containing [B5O10] groups. Chemical Science. 2024;15: 8959–8965. https://doi.org/10.1039/d4sc01853b

Wu H., Wei Z., Hu Z., Wang J., Wu Y., Yu H. Assembly of π-conjugated [B3O6] units by mer-isomer [YO3F3] octahedra to design a UV nonlinear optical material, Cs2Yb3O6F2. Angewandte Chemie. 2024;136. https://doi.org/10.1002/ange.202406318

Zhang W., Hou X., Han S., Pan S. Toward the ultraviolet (UV) or deep-UV nonlinear optical crystals: the combination of π-conjugated planar [XY3] and tetrahedral [XY4]. Coordination Chemistry Reviews. 2024;505: 215664. https://doi.org/10.1016/j.ccr.2024.215664

Li Q.-F., Chen W.-F., Lan Y.-Z., Cheng J.-W. Recent progress in ultraviolet and deep-ultraviolet nonlinear optical aluminoborates. Chinese Journal of Structural Chemistry. 2023; 42(3): 100036. https://doi.org/10.1016/j.cjsc.2023.100036

Kang L., Lin Z. Deep-ultraviolet nonlinear optical crystals: concept development and materials discovery. Light: cience & Applications. 2022;11: 1–12. https://doi.org/10.1038/s41377-022-00899-1

Halasyamani P. S Zhang W. Viewpoint: inorganic materials for UV and deep-UV nonlinear-optical applications. Inorganic Chemistry. 2017;56: 12077–12085. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.7b02184

Chen C., Li R. The anionic group theory of the nonlinear optical effect and its applications in the development of new high-quality nlo crystals in the borate series. International Reviews in Physical Chemistry. 1988;8: 65–91. https://doi.org/10.1080/01442358909353223

Chen C., Wu Y., Jiang A., …. Lin S. New nonlinearoptical crystal: LiB3O5. Journal of the Optical Society of America B. 1989;6(4): 616. https://doi.org/10.1364/josab.6.000616

Mori Y., Kuroda I., Nakajima S., Sasaki T., Nakai S. New nonlinear optical crystal: cesium lithium borate. Applided Physics Letters. 1995;67: 1818–1820. https://doi.org/10.1063/1.115413

Chen C. T., Wang G. L., Wang X. Y., Xu Z. Y. Deep-UV nonlinear optical crystal KBe2BO3F2-discovery, growth, optical properties and applications. Applied Physics B. 2009;97: 9–25. https://doi.org/10.1007/s00340-009-3554-4

Chen C., Wang Y., Wu B., Wu K., Zeng W., Yu L. Design and synthesis of an ultraviolet-transparent nonlinear optical crystal Sr2Be2B2O7. Nature. 1995;373: 322–324. https://doi.org/10.1038/373322a0

Fröhlich R., Bohatý L., Liebertz J. Acta Crystallographica Section C: Structural Chemistry. Die Kristallstruktur von Wismutborat, BiB3O6. 1984;40: 343–344. https://doi.org/10.1107/S0108270184004078

Guoqing Z., Jun X., Xingda C., …. Fuxi G. Growth and spectrum of a novel birefringent α-BaB2O4 crystal. Journal of Crystal Growth. 1998;191(3): 517–519. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(98)00162-6

Zhang S., Wu X., Song Y., Ni D., Hu B., Zhou T. Growth of birefringent Ca3(BO3)2 crystals by the Czochralski method. Journal of Crystal Growth. 2003;252: 246–250. https://doi.org/10.1016/S0022-0248(03)00867-4

Ming H., Xiaolong C., Yuping S., Jun L., Jingtai Z., Chengjun D. YBa3B9O18: a promising scintillation crystal. Crystal Growth and Design. 2007;7(2): 199–201. https://doi.org/10.1021/cg0606141

Chen X., Zhang B., Zhang F., …. Pan S. Designing an excellent deep-ultraviolet birefringent material for light polarization. Journal of the American Chemical Society. 2018;140: 16311–16319. https://doi.org/10.1021/JACS.8B10009

Berger S. V., Hassel O., Webb M., Rottenberg M. The crystal structure of cobaltpyroborate. Acta Chemica Scandinavica. 1950;4: 1054–1065. https://doi.org/10.3891/ACTA.CHEM.SCAND.04-1054

Cheng W. D., Zhang H., Zheng F. K., Chen J. T., Zhang Q. E., Pandey R. Electronic structures and linear optics of C2B2O5 (A = Mg, Ca, Sr) pyroborates. Chemistry of Materials. 2000;12: 3591–3594. https://doi.org/10.1021/cm000188l

Zhou C., Cheng J., Li H., Beysen S. Li3.366Mg0.317B2O5: the first pyroborate in the Li2O-MgO-B2O3 system. Inorganic Chemistry Communications. 2018;93: 92–96. https://doi.org/10.1016/j.inoche.2018.05.018

Maschmeyer E. M., Sanjeewa L. D., Ranmohotti G. S. Crystal structure of BaMnB2O5 containing structurally isolated manganese oxide sheets. Acta Crystallogr Sect E Crystallogr Commun. 2016;72: 1315–11320. https://doi.org/10.1107/S2056989016013074

Platunov M. S., Ivanova N. B., Kazak N. V., Ovchinnikov S. G. Crystal structure and magnetism of Co2−xNixB2O5 pyroborate. Journal of Siberian Federal University. Mathematics & Physics. 2011;4: 298–307. Режим доступа: https://elib.sfu-kras.ru/bitstream/handle/2311/2425/platunov.pdf?sequence=1

Busche S., Bluhm K. Synthese und Kristallstruktur der ersten zinkhaltigen Pyroborate Ni1.5Zn0.5(B2O5) und Co1.5Zn0.5(B2O5). Zeitschrift für Naturforschung B. 1995;50(10): 1445–1449. https://doi.org/10.1515/znb-1995-1003

Yan J., Chu D., Chen Z., Han J. Li2PbB2O5: a pyroborate with large birefringence induced by the synergistic effect of stereochemical active lone pair cations and π-conjugated [B2O5] groups. Inorganic Chemistry. 2022;61(46): 18795–801. https://doi.org/10.1021/acs.inorgchem.2c03469

Held P., Becker P. Dipraseodymium(III) pyroborate molybdate(VI), Pr2(B2O5)(MoO4). Crystallographic Communications. 2008;64(6). https://doi.org/10.1107/S1600536808010386

Zhang M., An D., Hu C., Chen X., Yang Z., Pan S. Rational design via synergistic combination leads to an outstanding deep-ultraviolet birefringent Li2Na2B2O5 material with an unvalued B2O5 functional gene. Journal of the American Chemical Society. 2019;141: 3258–3264. https://doi.org/10.1021/jacs.8b13402

Becker P., Held P. Crystal structure of sodium scandium borate, NaScB2O5. Zeitschrift für Kristallographie –New Crystal Structures. 2001;216(1-4): 35. https://doi.org/10.1524/NCRS.2001.216.14.35

Rietveld H. M. A profile refinement method for nuclear and magnetic structures. Journal of Applied Crystallography. 1969;2: 65–71. https://doi.org/10.1107/s0021889869006558

Coelho A. A. Topas: general profile and structure analysis software for powder diffraction data. Bruker AXS, 2005.

Dinnebier R. E., Leineweber A., Evans J. Rietveld refinement practical powder diffraction pattern analysis using TOPAS. 2019. https://doi.org/10.1515/9783110461381-201

Chen H., Wong L. L., Adams S. SoftBV – a software tool for screening the materials genome of inorganic fast ion conductors. Acta Crystallographica Section B Structural Science, Crystal Engineering and Materials. 2019;75: 18–33. https://doi.org/10.1107/S2052520618015718

Kresse G. Ab initio molecular dynamics for liquid metals. Journal of Non-Crystalline Solids. 1995;192–193: 222–229. https://doi.org/10.1016/0022-3093(95)00355-X

Perdew J. P., Ruzsinszky A., Csonka G. I., … Burke K. Restoring the density-gradient expansion for exchange in solids and surfaces. Physical Review Letter.s 2008;100: 1–4. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.136406

Togo A., Tanaka I. First principles phonon calculations in materials science. Scripta Materialia. 2015;108: 1–5. https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2015.07.021

Krukau A. V., Vydrov O. A., Izmaylov A. F., Scuseria G. E. Influence of the exchange screening parameter on the performance of screened hybrid functionals. The Journal of Chemical Physics. 2006; 125(22). https://doi.org/10.1063/1.2404663

Shendrik R. Yu., Plechov P. Yu., Smirnov S. Z. ArDI –the system of mineral vibrational spectroscopy data processing and analysis. New Data on Minerals. 2024;58(2): 26–35. (In Russ.). https://doi.org/10.25993/fm.2024.58.2024.008

Опубликован
2025-09-25
Как цитировать
Соболев, А. Н., Ковтунец, Е. В., Спиридонова, Т. С., Богданов, А. И., & Субанаков, А. К. (2025). Двойной борат NaScB2O5: синтез, термическое поведение, электропроводность и электронная структура. Конденсированные среды и межфазные границы, 27(3), 454-463. https://doi.org/10.17308/kcmf.2025.27/13022
Выпуск
Том 27 № 3 (2025)
Раздел
Оригинальные статьи

Copyright (c) 2025 Конденсированные среды и межфазные границы

Лицензия Creative Commons

Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.

Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC