Синтез титансодержащих функциональных материалов направленной трансформацией нетрадиционного прекурсора по схеме: прекурсор-сорбент-анодный материал

В рамках выполнения проекта, направленного на разработку научных основ синтеза титанофосфатных (TiP) сорбционных материалов и материалов химических источников тока, разработаны общие принципы и методологические подходы к направленному синтезу фосфатов титана из кристаллического прекурсора – сульфата титанила моногидрата – TiOSO4·H2O (СТМ), включающий возможность перехода от одной заданной структуры к другой и обеспечивающий высокие эксплуатационные свойства конечных продуктов. Впервые предложен способ получения TiP, основаный на гетерогенном взаимодействии кристаллической титановой соли с фосфорной кислотой. Для обоснования нового гетерогенного способа получения фосфата титана исследовано влияние условий синтеза на состав и физико-химические свойства конечных продуктов, изучен механизм процесса фазообразования и фазовые превращения при формировании фосфата титана заданного состава. Впервые показана возможность использования альфа-TiP для глубокой очистки насыщенных растворов нитрата лития от соединений хромофорных примесей. Изучены сорбционные свойства материала по отношению к микропримесям Ni(II), Co(II), Mn(II), Cu(II) и Cr(III). Полученные экспериментальные результаты по сорбции ионов металлов на LiTiP в концентрированном растворе нитрата лития позволяют сделать заключение, что важными факторами, влияющими на гетерогенное равновесие и кинетику сорбции ионов металлов фосфатом титана, являются размер сольватированного иона металла, его эффективный заряд, электронное строение сорбированного иона и характер его взаимодействия с ионогенными группами сорбента. Изучение закономерностей глубокого сорбционного извлечения катионов хромофорных металлов фосфатом титана позволило обосновать технологию его применения при получении высокочистых материалов Показано, что использование фосфата титана LiTiP позволяет эффективно удалять микропримеси ионов металлов из насыщенного литиевого раствора до концентраций, обеспечивающих получение прекурсоров особой чистоты для высококачественных функциональных материалов. Впервые рассмотрена возможность использования в качестве исходного прекурсора альфа-фосфата титана для получения электроактивных материалов – компонентов литий-ионных аккумуляторов. Найдены оптимальные условия гидролитической обработки α-TiP с получением литий замещенных фосфатов титана Li2Ti(PO4)2 и LiTi2(PO4)3 слоистой и каркасной структуры соответственно. Впервые показано, что использование ионообменного метода при синтезе прекурсоров позволяет снизить температуру кристаллизации с 800-850 °C до 550 °C, что связано с формированием целевого продукта уже на стадии ионообменной реакции, а термическая обработка приводит к кристаллизации уже сформированных структурных мотивов. Разработан новый подход к синтезу двойного фосфата состава Li1,5Al0,3Ti1,5(PO4)3 (LATP) структуры NASICON обработкой α-TiP смесью растворов лития и алюминия, что позволило существенно упростить известные технологии синтеза LATP и получать высокодисперсный монофазный порошок узкого гранулометрического класса при низкой температуре кристаллизации. Высокие значения проводимости и низкая энергия активации для LATP позволяют рассматривать полученный материал в качестве твердого электролита – перспективного компонента для создания твердотельных химических источников тока. В результате выполненных работ разработана научная концепция направленного синтеза функциональных материалов на основе соединений титана с высокими и воспроизводимыми эксплуатационными свойствами, обеспечивающая создание эффективной технологии производства указанной продукции при переработке доступного нетрадиционного титаносодержащего сырья и техногенных отходов. Использование нового эффективного нетрадиционного титансодержащего прекурсора при реализации проекта позволило подготовить научную и практическую платформу для организации отечественных производств титанофосфатных сорбционных материалов и материалов химических источников тока при значительно более низкой стоимости по сравнению с импортными аналогами.