najoNanosystems: Physics, Chemistry, MathematicsНаносистемы: физика, химия, математика2220-80542305-7971Университет ИТМОnajo-1165Research ArticleСтатьиSynthesis of aqueous sols of nanocrystalline ceria doped with gadoliniaСинтез водных золей нанокристаллического диоксида церия, допированного гадолиниемГасымоваГ. А,GasymovaG. A.

Москва

PhD student

gasymovaga@gmail.ruИвановаО. С.IvanovaO. S.

Москва

Researcher, PhD

runetta05@mail.ruБаранчиковА. Е.BaranchikovA. Ye.

Москва

 Senior Researcher, PhD

a.baranchikov@yandex.ruЩербаковА. Б.ShcherbakovA. B.

Key Engineer, PhD

carotene@mail.ruИвановВ. К,IvanovV. K.

Москва

Key Researcher, PhD

van@igic.ras.ruТретьяковЮ. Д.TretyakovYu. D.

Москва

Dean of Department of Materials Sciences, Academician of RAS, D.Sc.

tret@igic.ras.ruИнститут общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАНKurnakov Institute of General and Inorganic Chemistry of Russian Academy of SciencesИнститут микробиологии и вирусологии НАН УкраиныInstitute of Microbiology and Virology of Ukrainian National Academy of SciencesИнститут общей и неорганической химии имени Н. С. Курнакова РАН; Московский государственный университет им. М. В. ЛомоносоваLomonosov Moscow State University20111908202523113120Copyright © Gasymova G.A., Ivanova O.S., Baranchikov A.Y., Shcherbakov A.B., Ivanov V.K., Tretyakov Y.D., 20252025Гасымова Г.А., Иванова О.С., Баранчиков А.Е., Щербаков А.Б., Иванов В.К., Третьяков Ю.Д.Gasymova G.A., Ivanova O.S., Baranchikov A.Y., Shcherbakov A.B., Ivanov V.K., Tretyakov Y.D.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/1165

Novel method of synthesis of Ce1‑xGdxO2‑d (x = 0–0.2) aqueous sols for magnetic resonance tomography applications was proposed. Detailed physico-chemical study of sols was performed using electron microscopy, energy-dispersive X-ray spectroscopy, X-ray diffraction, UV-Vis spectroscopy and dynamic light scattering. It was shown that the lattice constant of as-prepared solid solutions obeys Vegard’s law. The particle size in sols prepared by combination of anionite and hydrothermal-microwave treatments is substantially smaller than the size of the particles prepared by conventional hydrothermal treatment.

Предложен метод получения водных золей нанодисперсных твердых растворов Ce1−𝑥Gd𝑥O2−𝛿 (𝑥 = 0–0.2), перспективных для применения в магнито-резонансной томографии, и проведено их комплексное физикохимическое исследование с применением методов электронной микроскопии, рентгеноспектрального микроанализа, рентгеновской дифракции, УФ-видимой спектроскопии и динамического светорассеяния. Показано, что параметр кристаллической ячейки образцов Ce1−𝑥Gd𝑥O2−𝛿 линейным образом зависит от содержания допанта в соответствии с законом Вегарда, что подтверждает факт образования твердых растворов. Установлено, что размеры наночастиц в золях, полученных сочетанием анионитной и гидротермально-микроволновой обработки, существенно меньше размеров частиц, синтезируемых обычным гидротермальным методом.

оксид церияоксид гадолиниятвердые растворыгидротермально-микроволновая обработкаceriagadoliniasolid solutionhydrothermal microwave treatmentРабота выполнена при поддержке РФФИ (проект 11-03-00828) и гранта Президента РФ для молодых ученых (проект МК-4829.2010.3).ReferencesЕлисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: Физматлит, 2010. — 456 с.Елисеев А.А., Лукашин А.В. Функциональные наноматериалы / Под ред. Ю.Д. Третьякова. — М.: Физматлит, 2010. — 456 с.Tsunekawa S., Ishikawa K., Li Z.Q., Kawazoe Y., Kasuya A. Origin of anomalous lattice expansion in oxide nanoparticles // Phys. Rev. Lett. — 2000. — V. 85. — P. 3440–3443.Tsunekawa S., Ishikawa K., Li Z.Q., Kawazoe Y., Kasuya A. Origin of anomalous lattice expansion in oxide nanoparticles // Phys. Rev. Lett. — 2000. — V. 85. — P. 3440–3443.Zhang F., Jin Q., Chan S.W. Ceria nanoparticles: size, size distribution, and shape // J. Appl. Phys. — 2004. — V. 95. — P. 4319–4326.Zhang F., Jin Q., Chan S.W. Ceria nanoparticles: size, size distribution, and shape // J. Appl. Phys. — 2004. — V. 95. — P. 4319–4326.Wu L.J., Wiesmann H.J., Moodenbaugh A.R., Klie R.F., Zhu Y.M., Welch D.O., Suenaga M. Oxidation state and lattice expansion of CeO2−𝑥 nanoparticles as a function of particle size // Phys. Rev. B. — 2004. — V. 69. — 125415.Wu L.J., Wiesmann H.J., Moodenbaugh A.R., Klie R.F., Zhu Y.M., Welch D.O., Suenaga M. Oxidation state and lattice expansion of CeO2−𝑥 nanoparticles as a function of particle size // Phys. Rev. B. — 2004. — V. 69. — 125415.Deshpande S., Patil S., Kuchibhatla S.V.N.T., Seal S. Size dependency variation in lattice parameter and valency states in nanocrystalline cerium oxide // Appl. Phys. — 2005. — V. 87. — 133113.Deshpande S., Patil S., Kuchibhatla S.V.N.T., Seal S. Size dependency variation in lattice parameter and valency states in nanocrystalline cerium oxide // Appl. Phys. — 2005. — V. 87. — 133113.Baranchikov A.E., Polezhaeva O.S., Ivanov V.K., Tretyakov Yu.D. Lattice expansion and oxygen nonstoichiometry of nanocrystalline ceria // CrystEngComm. — 2010. — V. 12, No. 11. — P. 3531–3533.Baranchikov A.E., Polezhaeva O.S., Ivanov V.K., Tretyakov Yu.D. Lattice expansion and oxygen nonstoichiometry of nanocrystalline ceria // CrystEngComm. — 2010. — V. 12, No. 11. — P. 3531–3533.Ivanov V.K., Shcherbakov A.B., Usatenko A.V. Structure-sensitive properties and biomedical applications of nanodispersed cerium dioxide // Russ. Chem. Rev. — 2009. — V. 78. — P. 855–871.Ivanov V.K., Shcherbakov A.B., Usatenko A.V. Structure-sensitive properties and biomedical applications of nanodispersed cerium dioxide // Russ. Chem. Rev. — 2009. — V. 78. — P. 855–871.Zholobak N.M., Ivanov V.K., Shcherbakov A.B., Shaporev A.S., Polezhaeva O.S., Baranchikov A.Ye., Spivak N.Ya., Tretyakov Yu.D. UV-shielding property, photocatalytic activity and photocytotoxicity of ceria colloid solutions // J. Photochem. Photobiol. B. — 2011. — V. 102. — P. 32–38.Zholobak N.M., Ivanov V.K., Shcherbakov A.B., Shaporev A.S., Polezhaeva O.S., Baranchikov A.Ye., Spivak N.Ya., Tretyakov Yu.D. UV-shielding property, photocatalytic activity and photocytotoxicity of ceria colloid solutions // J. Photochem. Photobiol. B. — 2011. — V. 102. — P. 32–38.Chen J., Patil S., Seal S., McGinnis J.F. Rare earth nanoparticles prevent retinal degeneration induced by intracellular peroxides // Nat. Nanotechnol. — 2006. — V. 1. — P. 142–150.Chen J., Patil S., Seal S., McGinnis J.F. Rare earth nanoparticles prevent retinal degeneration induced by intracellular peroxides // Nat. Nanotechnol. — 2006. — V. 1. — P. 142–150.Chen J., Patil S., Seal S., et al. Nanoceria particles prevent ROI-induced blindness // Adv. Exp. Med. Biol. — 2008. — V. 613. — P. 53–59.Chen J., Patil S., Seal S., et al. Nanoceria particles prevent ROI-induced blindness // Adv. Exp. Med. Biol. — 2008. — V. 613. — P. 53–59.Kharton V.V., Figueiredo F.M., Navarro L., Naumovich E.N., Kovalevsky A.V., Yaremchenko A.A., Viskup A.P., Carneiro A., Marques F.M.B., Frade J.R. Ceria-based materials for solid oxide fuel cells // J. Mater. Sci. — 2001. — V. 36. — P. 1105–1117.Kharton V.V., Figueiredo F.M., Navarro L., Naumovich E.N., Kovalevsky A.V., Yaremchenko A.A., Viskup A.P., Carneiro A., Marques F.M.B., Frade J.R. Ceria-based materials for solid oxide fuel cells // J. Mater. Sci. — 2001. — V. 36. — P. 1105–1117.Anjana P.S., Joseph T., Sebastian M.T. Microwave dielectric properties of (1-x)CeO2-xRE2O3 (RE = La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Er, Tm, Yb and Y) (0 ⩽ x ⩽ 1) ceramics // J. Alloys Comp. — 2010. — V. 490. — P. 208–213.Anjana P.S., Joseph T., Sebastian M.T. Microwave dielectric properties of (1-x)CeO2-xRE2O3 (RE = La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy, Er, Tm, Yb and Y) (0 ⩽ x ⩽ 1) ceramics // J. Alloys Comp. — 2010. — V. 490. — P. 208–213.Babu S., Schulte A., Seal S. Defects and symmetry influence on visible emission of Eu doped nanoceria // Appl. Phys. Lett. — 2008. — V. 92. — 123112.Babu S., Schulte A., Seal S. Defects and symmetry influence on visible emission of Eu doped nanoceria // Appl. Phys. Lett. — 2008. — V. 92. — 123112.Louis C., Bazzi R., Marquette C.A., Bridot J., Roux S., Ledoux G., Mercier B., Blum L., Perriat P., Tillement O. Nanosized hybrid particles with double luminescence for biological labeling // Chem. Mater. — 2005. — V. 17. — P. 1673-1682.Louis C., Bazzi R., Marquette C.A., Bridot J., Roux S., Ledoux G., Mercier B., Blum L., Perriat P., Tillement O. Nanosized hybrid particles with double luminescence for biological labeling // Chem. Mater. — 2005. — V. 17. — P. 1673-1682.Bridot J., Faure A., Laurent S., Riviere C., Billotey C., Hiba B., Janier M., Josserand V., Coll J., Elst L.V., Muller R., Roux S., Perriat P., Tillement O. J. Hybrid gadolinium oxide nanoparticles: multimodal contrast agents for in vivo imaging // Am. Chem. Soc. — 2007. — V. 129. — P. 5076–5084.Bridot J., Faure A., Laurent S., Riviere C., Billotey C., Hiba B., Janier M., Josserand V., Coll J., Elst L.V., Muller R., Roux S., Perriat P., Tillement O. J. Hybrid gadolinium oxide nanoparticles: multimodal contrast agents for in vivo imaging // Am. Chem. Soc. — 2007. — V. 129. — P. 5076–5084.Иванов В.К., Полежаева О.С., Щербаков А.Б., Гиль Д.О., Третьяков Ю.Д. Гидротермальномикроволновой синтез стабильных золей нанокристаллического диоксида церия для биомедицинских применений // Журн. неорган. химии. — 2010. — Т. 55. — C. 3–8.Иванов В.К., Полежаева О.С., Щербаков А.Б., Гиль Д.О., Третьяков Ю.Д. Гидротермальномикроволновой синтез стабильных золей нанокристаллического диоксида церия для биомедицинских применений // Журн. неорган. химии. — 2010. — Т. 55. — C. 3–8.Wang S., Chen S., Navrotsky A. et al. Modified polyol-mediated synthesis and consolidation of Gd-doped ceria nanoparticles // Solid State Ionics. — 2010. — V. 181. — P. 372-378.Wang S., Chen S., Navrotsky A. et al. Modified polyol-mediated synthesis and consolidation of Gd-doped ceria nanoparticles // Solid State Ionics. — 2010. — V. 181. — P. 372-378.Chandradass J., Nam B., Kim K.H. Fine tuning of gadolinium doped ceria electrolyte nanoparticles via reverse microemulsion process // Coll. Surf. A. — 2009. — V. 348. — P. 130–136.Chandradass J., Nam B., Kim K.H. Fine tuning of gadolinium doped ceria electrolyte nanoparticles via reverse microemulsion process // Coll. Surf. A. — 2009. — V. 348. — P. 130–136.Dikmen S., Shuk P., Greenblatt M., Gocmez H. Hydrothermal synthesis and properties of Ce1−𝑥Gd𝑥O2−𝛿 solid solutions // Solid State Sci. — 2002. — V. 4. — P. 585–590.Dikmen S., Shuk P., Greenblatt M., Gocmez H. Hydrothermal synthesis and properties of Ce1−𝑥Gd𝑥O2−𝛿 solid solutions // Solid State Sci. — 2002. — V. 4. — P. 585–590.Liang J., Zhu Q., Xie Z., Huang W., Hu C. Low-temperature sintering behaviors of nanosized Ce0.8Gd0.2O1.9 powder synthesized by co-precipitation combined with supercritical drying // J. Power Sources. — 2009. — V. 194. — P. 640–645.Liang J., Zhu Q., Xie Z., Huang W., Hu C. Low-temperature sintering behaviors of nanosized Ce0.8Gd0.2O1.9 powder synthesized by co-precipitation combined with supercritical drying // J. Power Sources. — 2009. — V. 194. — P. 640–645.Jadhav L.D., Chourashiya M.G., Jamale A.P. et al. Synthesis and characterization of nano-crystalline Ce1−𝑥Gd𝑥O2−𝑥/2 (x=0–0.30) solid solutions // J. Alloys Comp. — 2010. — V. 506. — P. 739–744.Jadhav L.D., Chourashiya M.G., Jamale A.P. et al. Synthesis and characterization of nano-crystalline Ce1−𝑥Gd𝑥O2−𝑥/2 (x=0–0.30) solid solutions // J. Alloys Comp. — 2010. — V. 506. — P. 739–744.Hirata Y., Matsunaga N., Murao M. Synthesis of gadolinium-doped ceria powders by electrolysis of aqueous solutions // J. Am. Ceram. Soc. — 2009. — 92(S1). — S11–S15.Hirata Y., Matsunaga N., Murao M. Synthesis of gadolinium-doped ceria powders by electrolysis of aqueous solutions // J. Am. Ceram. Soc. — 2009. — 92(S1). — S11–S15.Kang H.S., Sohn J.R., Kang Y.C., Jung K.Y., Park S.B. The characteristics of nano-sized Gd-doped CeO2 particles prepared by spray pyrolysis // J. Alloys Comp. — 2005. — V. 398. — P. 240–244.Kang H.S., Sohn J.R., Kang Y.C., Jung K.Y., Park S.B. The characteristics of nano-sized Gd-doped CeO2 particles prepared by spray pyrolysis // J. Alloys Comp. — 2005. — V. 398. — P. 240–244.Wang S., Maeda K. Direct formation of crystalline gadolinium-doped ceria powder via polymerized precursor solution // J. Amer. Ceram. Soc. — 2002. — V. 85. — P. 1750–1752.Wang S., Maeda K. Direct formation of crystalline gadolinium-doped ceria powder via polymerized precursor solution // J. Amer. Ceram. Soc. — 2002. — V. 85. — P. 1750–1752.Yang T., Xia D. Self-combustion synthesis and oxygen storage properties of mesoporous gadolinia-doped ceria nanotubes // Mat. Chem. Phys. — 2010. — V. 123. — P. 816–820.Yang T., Xia D. Self-combustion synthesis and oxygen storage properties of mesoporous gadolinia-doped ceria nanotubes // Mat. Chem. Phys. — 2010. — V. 123. — P. 816–820.Sin A., Dubitsky Yu., Zaopo A. et al. Preparation and sintering of Ce1−𝑥Gd𝑥O2−𝑥/2 nanopowders and their electrochemical and EPR characterization // Solid State Ionics. — 2004. — V. 175. — P. 361–366.Sin A., Dubitsky Yu., Zaopo A. et al. Preparation and sintering of Ce1−𝑥Gd𝑥O2−𝑥/2 nanopowders and their electrochemical and EPR characterization // Solid State Ionics. — 2004. — V. 175. — P. 361–366.Kossoy A., Feldman Y., Korobko R. et al. Influence of Point-Defect Reaction Kinetics on the Lattice Parameter of Ce0.8Gd0.2O1.9 // Adv. Funct. Mater. — 2009. — V. 19. — P. 634–641.Kossoy A., Feldman Y., Korobko R. et al. Influence of Point-Defect Reaction Kinetics on the Lattice Parameter of Ce0.8Gd0.2O1.9 // Adv. Funct. Mater. — 2009. — V. 19. — P. 634–641.Petricek V., Dusek M., Palatinus L. Jana2006. The crystallographic computing system. — Institute of Physics, Praha, Czech Republic, 2006.Petricek V., Dusek M., Palatinus L. Jana2006. The crystallographic computing system. — Institute of Physics, Praha, Czech Republic, 2006.Иванов В.К., Полежаева О.С., Шапорев А.С., Баранчиков А.Е., Щербаков А.Б., Усатенко А.В. Синтез и исследование термической устойчивости золей нанокристаллического диоксида церия, стабилизированных лимонной и полиакриловой кислотами // Журн. неорган. химии. — 2010. — T. 55. — C. 368–373.Иванов В.К., Полежаева О.С., Шапорев А.С., Баранчиков А.Е., Щербаков А.Б., Усатенко А.В. Синтез и исследование термической устойчивости золей нанокристаллического диоксида церия, стабилизированных лимонной и полиакриловой кислотами // Журн. неорган. химии. — 2010. — T. 55. — C. 368–373.Иванов В.К., Полежаева О.С., Щербаков А.Б., Гиль Д.О., Третьяков Ю.Д. Гидротермальномикроволновой синтез стабильных золей нанокристаллического диоксида церия для биомедицинских применений // Журн. неорган. химии. — 2010. — T. 55. — C. 3–8.Иванов В.К., Полежаева О.С., Щербаков А.Б., Гиль Д.О., Третьяков Ю.Д. Гидротермальномикроволновой синтез стабильных золей нанокристаллического диоксида церия для биомедицинских применений // Журн. неорган. химии. — 2010. — T. 55. — C. 3–8.Иванов В.К., Щербаков А.Б., Жолобак Н.М., Полежаева О.С. Необычные свойства диоксида церия // Природа. — 2011. — T. 3. — C. 47–57.Иванов В.К., Щербаков А.Б., Жолобак Н.М., Полежаева О.С. Необычные свойства диоксида церия // Природа. — 2011. — T. 3. — C. 47–57.

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