najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1090Research ArticleСтатьиFormation under hydrothermal conditions and structural features of nanoparticles based on the system ZrO2 – Gd2O3Образование в гидротермальных условиях и особенности строения наночастиц на основе системы ZrO2 – Gd2O3ТомковичМ. В.TomkovichM. V.mariya_tom@mail.ruАндриевскаяЕ. Р.AndrievskayaE. R.ГусаровВ. В.GusarovV. V.victor.v.gusarov@gmail.comФизико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАНRussian FederationИнститут проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАН Украины; Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт»Russian FederationФизико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН; Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)Russian Federation20111708202522614Copyright © Tomkovich M.V., Andrievskaya E.R., Gusarov V.V., 20252025Томкович М.В., Андриевская Е.Р., Гусаров В.В.Tomkovich M.V., Andrievskaya E.R., Gusarov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://nanojournal.ifmo.ru/jour/article/view/1090

.

В гидротермальных условиях получены наночастицы на основесистемыZrO2-Gd2O3.Показано,чтовобласти концентраций ZrO2:GdO1.5 = 0.6– 9.5 при температурах 250-450 оС и давлении около 90 МПа образуются нанокристаллы твердых растворов ZrO2 (GdO1.5) с флюоритоподобной структурой. Параметры элементарной ячейки ZrO2(GdO1.5) нелинейно возрастают с увеличением концентрации оксида гадолиния в системе до 45 мол. % GdO1.5. Такой характер изменения параметров элементарной ячейки объяснен распределением оксида гадолиния между автономной (кристаллической) и неавтономной фазой.

наночастицыгидротермальныйсинтездиоксид цирконияоксид гадолиниянеавтономные фазыРабота выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант 11-08-90461 Укр_ф_а) и Министерства образования и науки (Федеральная целевая программа «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», ГК № 16.516.11.6073)ReferencesАндриевская Е.Р., Корниенко О.А. Взаимодействие оксида циркония с оксидом гадолиния при температуре 1500 ˚С // Сборник научных трудов ОАО УкрНИИ Огнеупоров имени А.С. Бережного. 2009. № 109. С. 117-125.Андриевская Е.Р., Корниенко О.А. Взаимодействие оксида циркония с оксидом гадолиния при температуре 1500 ˚С // Сборник научных трудов ОАО УкрНИИ Огнеупоров имени А.С. Бережного. 2009. № 109. С. 117-125.Dutta S., Bhattacharya S., Agraval D.C. Electrical properties of ZrO2-Gd2O3 ceramics // Materials Science and Engineering– 2003. B. 100. P. 191-198.Dutta S., Bhattacharya S., Agraval D.C. Electrical properties of ZrO2-Gd2O3 ceramics // Materials Science and Engineering– 2003. B. 100. P. 191-198.Rahman M.N., Gross J.R., Dutton R.E. and etc. Phase stability, sintering, and thermal conductivity of plasma sprayed ZrO2-Gd2O3 compositions for potential thermal barrier coating applications / // Acta Materialia.— 2006.— V. 54.— P. 1615-1621.Rahman M.N., Gross J.R., Dutton R.E. and etc. Phase stability, sintering, and thermal conductivity of plasma sprayed ZrO2-Gd2O3 compositions for potential thermal barrier coating applications / // Acta Materialia.— 2006.— V. 54.— P. 1615-1621.Mandal B.P., Pandey M., Tyagi A.K. Gd2Zr2O7 pyrochlore: Potential host matrix for some constituents of thoria based reactor’s waste // Journal of Nuclear Materials– 2010. V. 406. Р. 238-243.Mandal B.P., Pandey M., Tyagi A.K. Gd2Zr2O7 pyrochlore: Potential host matrix for some constituents of thoria based reactor’s waste // Journal of Nuclear Materials– 2010. V. 406. Р. 238-243.Cao X.Q., Vassen R., Tietz F., Stoever D. New double-ceramic-layerthermal barrier coatings based on zirconia rare earth composite oxides // J. Europ. Ceram. Soc. 2006. Vol. 26. P. 247-251.Cao X.Q., Vassen R., Tietz F., Stoever D. New double-ceramic-layerthermal barrier coatings based on zirconia rare earth composite oxides // J. Europ. Ceram. Soc. 2006. Vol. 26. P. 247-251.Wang Junhu, Otobe Haruyoshi, Nakamura Akio, Masuo Takeda Correlation of crystal structures with electric f ield gradients in the fluorite- and pyrochlore-type compounds in the Gd2O3-ZrO2 system // J. Solid State Chemistry. 2003.- Vol. 176. P. 105-110.Wang Junhu, Otobe Haruyoshi, Nakamura Akio, Masuo Takeda Correlation of crystal structures with electric f ield gradients in the fluorite- and pyrochlore-type compounds in the Gd2O3-ZrO2 system // J. Solid State Chemistry. 2003.- Vol. 176. P. 105-110.Leckie R.M., Krämer S., Rühle M., Levi C.G. Thermochemical compatibility between alumina and ZrO2 GdO3/2 thermal barrier coatings // Acta Materialia. 2005. Vol. 53. P. 3281-3292.Leckie R.M., Krämer S., Rühle M., Levi C.G. Thermochemical compatibility between alumina and ZrO2 GdO3/2 thermal barrier coatings // Acta Materialia. 2005. Vol. 53. P. 3281-3292.Van Dijk T., De Vries K.J., Burggraaf A.J. Electrical conductivity of fluorite and pyrochlore Ln𝑥Zr1−𝑥O2−𝑥/2 (Ln = Gd, Nd) Solid Solutions // Phys. Stat. Sol. 1980. Vol. 58 (a). P. 115-125.Van Dijk T., De Vries K.J., Burggraaf A.J. Electrical conductivity of fluorite and pyrochlore Ln𝑥Zr1−𝑥O2−𝑥/2 (Ln = Gd, Nd) Solid Solutions // Phys. Stat. Sol. 1980. Vol. 58 (a). P. 115-125.Караулов А.Г., Зоз Е.И., Шляхова Т.М. Структура и свойства огнеупоров на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом гадолиния // Огнеупоры и техническая керамика. 1996. № 3. С. 12-16.Караулов А.Г., Зоз Е.И., Шляхова Т.М. Структура и свойства огнеупоров на основе диоксида циркония, стабилизированного оксидом гадолиния // Огнеупоры и техническая керамика. 1996. № 3. С. 12-16.Karaulov A.G., Zoz E.I. Phase formation in the ZrO2-HfO2-Gd2O3 and ZrO2-HfO2-Yb2O3 systems // Refract. And Ceram. 1999. Vol. 40. P. 479-483.Karaulov A.G., Zoz E.I. Phase formation in the ZrO2-HfO2-Gd2O3 and ZrO2-HfO2-Yb2O3 systems // Refract. And Ceram. 1999. Vol. 40. P. 479-483.Гусаров В.В., Альмяшев В.И., Хабенский В.Б., Бешта С.В., Грановский В.С. Новый класс функциональных материалов для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора // РоС. хим. ж. 2005. Т. 49, N 4. С. 42–53Гусаров В.В., Альмяшев В.И., Хабенский В.Б., Бешта С.В., Грановский В.С. Новый класс функциональных материалов для устройства локализации расплава активной зоны ядерного реактора // РоС. хим. ж. 2005. Т. 49, N 4. С. 42–53Rouanet A. Contribution a l’etude des systemes zirconia-oxydes des lanthanides au voisinage de la fusion: Memoire de these // Rev. Intern. Hautes Temp. et Refract. 1971. Vol. 8. P. 161-180.Rouanet A. Contribution a l’etude des systemes zirconia-oxydes des lanthanides au voisinage de la fusion: Memoire de these // Rev. Intern. Hautes Temp. et Refract. 1971. Vol. 8. P. 161-180.RouanetA., Foex M.Studyat HighTemperatureof Systems formedby Zirconiawith SamariumandGadolinium Sesquioxides // C.R. Acad. Sci. Paris, Ser. C. 1968. Vol. 267, № 15. P. 873-876.RouanetA., Foex M.Studyat HighTemperatureof Systems formedby Zirconiawith SamariumandGadolinium Sesquioxides // C.R. Acad. Sci. Paris, Ser. C. 1968. Vol. 267, № 15. P. 873-876.Zinkevich M., Wang Ch., Morales F.M., Rühle M., Aldinger F. Phase equilibria in the ZrO2-GdO1.5 system at 1400-1700 ˚C // J. of Alloys and Compounds. 2005. Vol. 398. P. 261-268.Zinkevich M., Wang Ch., Morales F.M., Rühle M., Aldinger F. Phase equilibria in the ZrO2-GdO1.5 system at 1400-1700 ˚C // J. of Alloys and Compounds. 2005. Vol. 398. P. 261-268.Scott H.G. On the continuous transition between two structure types in the zirconia-gadolinia system // J. Mater. Sci. 1978. Vol. 13. P. 1592-1593.Scott H.G. On the continuous transition between two structure types in the zirconia-gadolinia system // J. Mater. Sci. 1978. Vol. 13. P. 1592-1593.Mogira T., Emura S., Yoshiasa A., Kikkawa S., Kanamaru F., Koto K. X-ray and Raman Study of Coordination States of Fluorite- and Pyrochlore-Type Compounds in the System ZrO2-Gd2O3 // Solid State Ionics. 1990. V. 40. P. 357-361.Mogira T., Emura S., Yoshiasa A., Kikkawa S., Kanamaru F., Koto K. X-ray and Raman Study of Coordination States of Fluorite- and Pyrochlore-Type Compounds in the System ZrO2-Gd2O3 // Solid State Ionics. 1990. V. 40. P. 357-361.Ushakov S. V., Navrotsky A., Tangeman J. A., Helean K. B. Energetics of defect fluorite and pyrochlore phases in lanthanum and gadolinium hafnates // J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90, № 4. P. 1171-1176.Ushakov S. V., Navrotsky A., Tangeman J. A., Helean K. B. Energetics of defect fluorite and pyrochlore phases in lanthanum and gadolinium hafnates // J. Am. Ceram. Soc. 2007. Vol. 90, № 4. P. 1171-1176.Perez M., Jorba Y. Contribution a Letude Des Systems Zircone-Oxides De Terres Rares // Annual Chim. 1962. Vol. 7, № 7-8. P. 2786-2792.Perez M., Jorba Y. Contribution a Letude Des Systems Zircone-Oxides De Terres Rares // Annual Chim. 1962. Vol. 7, № 7-8. P. 2786-2792.Leung D.K., Chan C.-J., Ruehle M., Lange F.F. Metastable crystallization, phase partitioning, and grain growth of ZrO2-Gd2O3 materials processed from liquid precursors // J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74. P. 1171-1176.Leung D.K., Chan C.-J., Ruehle M., Lange F.F. Metastable crystallization, phase partitioning, and grain growth of ZrO2-Gd2O3 materials processed from liquid precursors // J. Am. Ceram. Soc. 1991. Vol. 74. P. 1171-1176.Katamura J., Seki T., Sakuma T. The cubic-tetragonal phase equilibria in the ZrO-R2O3 (R=Y,Gd,Sm,Nd) systems // J. Phase Equilib. 1995. V. 16. P. 315-319.Katamura J., Seki T., Sakuma T. The cubic-tetragonal phase equilibria in the ZrO-R2O3 (R=Y,Gd,Sm,Nd) systems // J. Phase Equilib. 1995. V. 16. P. 315-319.Moriga T., Yoshiasa A., Kanamara F, Koto K., Yoshimura M., Somiya S. Crystal structure analyses of pyrochlore- and fluorite-type Zr2Gd2O7 and anti-phase domain structure // Solid State Ionics. 1989. V. 31. P. 319-328.Moriga T., Yoshiasa A., Kanamara F, Koto K., Yoshimura M., Somiya S. Crystal structure analyses of pyrochlore- and fluorite-type Zr2Gd2O7 and anti-phase domain structure // Solid State Ionics. 1989. V. 31. P. 319-328.Zinkevich M., Wang Ch., Morales F.M. and etc. Phase equilibria in the ZrO2-GdO1.5 system at 1400—1700˚C// Journal of Alloys and Compounds. 2005. V. 398. P. 261-268.Zinkevich M., Wang Ch., Morales F.M. and etc. Phase equilibria in the ZrO2-GdO1.5 system at 1400—1700˚C// Journal of Alloys and Compounds. 2005. V. 398. P. 261-268.Wanga J., Nakamurab A., Takedaa M.. Structural properties of the fluorite- and pyrochlore-type compounds in the Gd2O3-ZrO2 system xGdO1.5-(1-x)ZrO2 with 0.18⩽x⩽0.62 // Solid State Ionics. 2003. V. 164. Р. 185-191.Wanga J., Nakamurab A., Takedaa M.. Structural properties of the fluorite- and pyrochlore-type compounds in the Gd2O3-ZrO2 system xGdO1.5-(1-x)ZrO2 with 0.18⩽x⩽0.62 // Solid State Ionics. 2003. V. 164. Р. 185-191.Abbas H.A., Hamad F.F., Mohamad A.K. and etc. Structural Properties of Zirconia Doped with Some Oxides // Diffusion Fundamentals. 2008. V. 8, № 7. P. 1-8.Abbas H.A., Hamad F.F., Mohamad A.K. and etc. Structural Properties of Zirconia Doped with Some Oxides // Diffusion Fundamentals. 2008. V. 8, № 7. P. 1-8.Wang Ch., Zinkevich M., Aldinger F. Phase diagrams and thermodynamics of rare-earth-doped zirconia ceramics // Pure Appl. Chem. 2007. V. 79, №. 10, Р. 1731-1753.Wang Ch., Zinkevich M., Aldinger F. Phase diagrams and thermodynamics of rare-earth-doped zirconia ceramics // Pure Appl. Chem. 2007. V. 79, №. 10, Р. 1731-1753.Wang Ch., Zinkevich M., Fabrichnaya O. and etc. Experimental investigation and thermodynamic modeling in the ZrO2-GdO1.5 system // In Calphad XXXIII Program and Abstracts, 2004. P. 88.Wang Ch., Zinkevich M., Fabrichnaya O. and etc. Experimental investigation and thermodynamic modeling in the ZrO2-GdO1.5 system // In Calphad XXXIII Program and Abstracts, 2004. P. 88.Patwe S.J., Ambekar B.R., Tyagi A.K. Synthesis, characterization and lattice thermal expansion of some compounds in the system Gd2Ce𝑥Zr2−𝑥O7 // Journal of Alloys and Compounds, 2005. V. 389. P. 243-246.Patwe S.J., Ambekar B.R., Tyagi A.K. Synthesis, characterization and lattice thermal expansion of some compounds in the system Gd2Ce𝑥Zr2−𝑥O7 // Journal of Alloys and Compounds, 2005. V. 389. P. 243-246.Mandal B.P., Tyagi A.K. Pyrochlores: Potential multifunctional materials // ISSUE. 2010, V. 313, № 3-4. P. 6-13.Mandal B.P., Tyagi A.K. Pyrochlores: Potential multifunctional materials // ISSUE. 2010, V. 313, № 3-4. P. 6-13.Пожидаева О.В., Корыткова Э.Н., Дроздова И.А., Гусаров В.В. Влияние условий гидротермального синтеза на фазовое состояние и размер частиц ультрадисперсного диоксида циркония // Журн. общей химии. 1999. Т. 69, N 8. С. 1265–1269.Пожидаева О.В., Корыткова Э.Н., Дроздова И.А., Гусаров В.В. Влияние условий гидротермального синтеза на фазовое состояние и размер частиц ультрадисперсного диоксида циркония // Журн. общей химии. 1999. Т. 69, N 8. С. 1265–1269.Chen K.I., Chiang S.T., and Tsao H.K. Preparation of Zirconia Nanocrystals from Concentrated Zirconium Aqueous Solutions // Journal of Nanoparticle Research, 2001, V 3, P. 119-126.Chen K.I., Chiang S.T., and Tsao H.K. Preparation of Zirconia Nanocrystals from Concentrated Zirconium Aqueous Solutions // Journal of Nanoparticle Research, 2001, V 3, P. 119-126.Олейников Н.Н., Пентин И.В., Муравьева Г.П., Кецко В.А. Исследование матастабильных высокодис персных фаз, формируемых на основе ZrO2 // Журнал неорган. химии. 2001. Т. 46. № 9. С. 1413-1420.Олейников Н.Н., Пентин И.В., Муравьева Г.П., Кецко В.А. Исследование матастабильных высокодис персных фаз, формируемых на основе ZrO2 // Журнал неорган. химии. 2001. Т. 46. № 9. С. 1413-1420.Артамонова О.В., Альмяшева О.В., Миттова И.Я., Лаврушина С.С., Мурзина С.С., Гусаров В.В. Гид ротермальный синтез нанокристаллов на основе ZrO2 всистемеZrO2–In2O3 // Журн. неорган. химии. 2004. Т. 49, N 11. С. 1657–1651.Артамонова О.В., Альмяшева О.В., Миттова И.Я., Лаврушина С.С., Мурзина С.С., Гусаров В.В. Гид ротермальный синтез нанокристаллов на основе ZrO2 всистемеZrO2–In2O3 // Журн. неорган. химии. 2004. Т. 49, N 11. С. 1657–1651.Артамонова О.В., Альмяшева О.В., Миттова И.Я., Гусаров В.В. Нанокристаллы твердых растворов на основе диоксида циркония в системе ZrO2–In2O3 // Неорганические материалы. 2006. Т. 42. № 10. С. 1178–1181.Артамонова О.В., Альмяшева О.В., Миттова И.Я., Гусаров В.В. Нанокристаллы твердых растворов на основе диоксида циркония в системе ZrO2–In2O3 // Неорганические материалы. 2006. Т. 42. № 10. С. 1178–1181.Артамонова О.В., Альмяшева О.В., Миттова И.Я., Гусаров В.В. Спекание нанопорошков и свойства керамики в системе ZrO2–In2O3 // Перспективные материалы. 2009, № 1. С. 91-94.Артамонова О.В., Альмяшева О.В., Миттова И.Я., Гусаров В.В. Спекание нанопорошков и свойства керамики в системе ZrO2–In2O3 // Перспективные материалы. 2009, № 1. С. 91-94.Тихонов П.А. Фазы переменного состава с контролируемыми электрическими свойствами в системах на основе тугоплавких оксидов: диссертация ... доктора химических наук. СПб. 1999,– 303 c.Тихонов П.А. Фазы переменного состава с контролируемыми электрическими свойствами в системах на основе тугоплавких оксидов: диссертация ... доктора химических наук. СПб. 1999,– 303 c.MTDATA– Phase Diagram Software from the National Physical Laboratory. http://mtdatasoftware.tech.officelive.com/gdzro.htmMTDATA– Phase Diagram Software from the National Physical Laboratory. http://mtdatasoftware.tech.officelive.com/gdzro.htmГусаров В.В., Суворов С.А. Температура плавления локально-равновесных поверхностных фаз в поли кристаллических системах на основе одной объемной фазы // Журнал прикладной химии. 1990. Т. 63, N 8. С. 1689–1694.Гусаров В.В., Суворов С.А. Температура плавления локально-равновесных поверхностных фаз в поли кристаллических системах на основе одной объемной фазы // Журнал прикладной химии. 1990. Т. 63, N 8. С. 1689–1694.Гусаров В.В., Егоров Ф.К., Екимов С.П., Суворов С.А. Мессбауэровское исследование кинетики образования пленочных состояний при взаимодействии оксидов магния и железа // Журн. физич. химии. 1987. Т. 61, N 6. С. 1652–1654.Гусаров В.В., Егоров Ф.К., Екимов С.П., Суворов С.А. Мессбауэровское исследование кинетики образования пленочных состояний при взаимодействии оксидов магния и железа // Журн. физич. химии. 1987. Т. 61, N 6. С. 1652–1654.Гусаров В.В. Статика и динамика поликристаллических систем на основе тугоплавких оксидов : диссерт. доктора хим. наук // Санкт-Петербургский технол. ин-т. СПб., 1996. — 598 c.Гусаров В.В. Статика и динамика поликристаллических систем на основе тугоплавких оксидов : диссерт. доктора хим. наук // Санкт-Петербургский технол. ин-т. СПб., 1996. — 598 c.Гусаров В.В., Малков А.А., Малыгин А.А., Суворов С.А. Термически стимулированные трансформации 2-мерных неавтономных фаз и уплотнение оксидных поликристаллических материалов // Неорган. материалы. 1995. Т. 31, N 3. С. 346–350.Гусаров В.В., Малков А.А., Малыгин А.А., Суворов С.А. Термически стимулированные трансформации 2-мерных неавтономных фаз и уплотнение оксидных поликристаллических материалов // Неорган. материалы. 1995. Т. 31, N 3. С. 346–350.Долгушев Н.В., Гусаров В.В., Малков А.А., Егорова Е.Ю., Щукарев А.В., Малыгин А.А., Суворов С.А. Состав и влияние поверхностного слоя оксида алюминия, обогащенного натрием, на его взаимодействия с парами TiCl4 иH2O // Неорган. матер. 1995. Т. 31, N 2. С. 226–229.Долгушев Н.В., Гусаров В.В., Малков А.А., Егорова Е.Ю., Щукарев А.В., Малыгин А.А., Суворов С.А. Состав и влияние поверхностного слоя оксида алюминия, обогащенного натрием, на его взаимодействия с парами TiCl4 иH2O // Неорган. матер. 1995. Т. 31, N 2. С. 226–229.Гусаров В.В. Быстропротекающие твердофазные химические реакции // Журн. общей химии. 1997. Т. 67, N 12. С.1959–1964.Гусаров В.В. Быстропротекающие твердофазные химические реакции // Журн. общей химии. 1997. Т. 67, N 12. С.1959–1964.Альмяшева О.В., Гусаров В.В. Зародышеобразование в средах с распределенными в них наночастицами другой фазы // ДАН. 2009. Т. 424. № 5. С. 641–643.Альмяшева О.В., Гусаров В.В. Зародышеобразование в средах с распределенными в них наночастицами другой фазы // ДАН. 2009. Т. 424. № 5. С. 641–643.Альмяшева О.В., Гусаров В.В. Особенности процесса фазообразования в нанокомпозитах // Журнал общей химии. 2010. Т.80. № 3. С. 359-364Альмяшева О.В., Гусаров В.В. Особенности процесса фазообразования в нанокомпозитах // Журнал общей химии. 2010. Т.80. № 3. С. 359-364

The authors declare that there are no conflicts of interest present.