Физико-химия и технология ликвирующих щелочноборосиликатных стекол, легированных переходными металлами, и новых полифункциональнальных пористых и нанокомпозитных стекломатериалов на их основе

Объекты. Натриевоборосиликатные стекла, легированные Fe2O3, Ni2O3; силикатные (нано)пористые стекла (НПС) с/без примесей P2O5 и фторид-ионов; композиционные материалы (КМ) на их основе, допированные соединениями (оксидами, галогенидами, нитратами) цезия, висмута, серебра, цинка, марганца. Методы. Комплекс стандартных аналитических, физико-химических и структурно-физических методов: «мокрая химия», пламенная фотометрия, ПЭМ, РФА, оптическая и люминесцентная спектроскопия; РФЭС, РФлА, магнитометрия, ЭДС, Мессбауэровская спектроскопия, ЯМР, BDS, DSC; коллоидно-химические исследования. Цель работы. Установление закономерностей метастабильного фазового разделения в многокомпонентных оксидных стеклообразующих щелочноборосиликатных (ЩБС) системах, легированных оксидами переходных металлов; научно-обоснованный синтез новых НПС и КМ с регулируемыми функциональными свойствами (магнитными, электрическими, спектрально-оптическими, люминесцентными, фотокаталитическими и др.), уникальность которых обусловлена размерным эффектом в сочетании с термо-, химически- и биологической стабильностью, механической прочностью, перспективных для использования в мембранных и фотокаталитических технологиях, фотонике, (нано-)микроэлектронике, сенсорике, фотовольтаике. Основные результаты. Синтезированы новые НБС стекла, легированные Fe2O3/FeO, Ni2O3/NiO. Изучены практически значимые особенности плавления шихты, сопровождающегося кристаллизацией расплава. Впервые установлено образование FeSiO3 (PDF-2, 76-1638) со структурным типом анортита (наряду с Fe3O4 (PDF-2, 79-0416)) в боросиликатном стекле при атмосферном давлении в зависимости от температуры и длительности его тепловой обработки 550-700 оС. При изучении кислотоустойчивости двухфазных стекол этой системы с различным содержанием SiO2 и длительностью термообработки установлены составы стекол, пригодных для получения ферримагнитных НПС-матриц, и разработан энергосберегающий способ синтеза (получен патент РФ на изобретение RU 2791915). Изучены сорбционные свойства (по отношению к МГ) железо- содержащих НПС, перспективных для использования в качестве ультрафильтрационных мембран. Синтезированы новые образцы кварцоидных стекол, содержащих цезий; изучен их элементный состав, функциональный состав внутренней поверхности, оптические (оптическая плотность, показатель преломления) и антибактериальные (токсичность с использованием тест-объекта Paramecium caudatum) свойства в зависимости от условий синтеза и пропитки НПС-матриц. Продолжены исследования, направленные на получение новых наноструктурированных термостабильных, механически прочных, химически стойких фотолюминофоров в виде пластин. Синтезированы новые висмут- или медь- содержащие КМ, активированные иттрием; серебросодержащие КМ, активированные лантаном; а также КМ, допированные галогенидами серебра (AgCl, AgBr) или нитратом серебра; исследована их структура, спектрально-оптические и люминесцентные свойства, механическая прочность. Установлено, что синтезированные стекломатериалы обладают люминесценцией в широком спектральном диапазоне (235–880 нм) благодаря присутствию различных активных центров. Показано, что для получения ВКМ с интенсивной красной люминесценцией предпочтительно использование НПС-матриц с примесью фосфат- и фторид-ионов и проведение термообработки (спекания) ВКМ в атмосфере азота. Разработана методика формирования люминесцирующих МК Agn (n<5) в НПС-матрицах и их стабилизации для предотвращения образования НЧ Ag, формирование которых приводит к уменьшению интенсивности люминесценции материалов в видимом диапазоне спектра. Синтезированы новые стеклообразные композиционные материалы (КМ) с двумя магнитными подсистемами [Fe3O4/ MnxOy (x = 1, 2, 3; y = 1, 2, 3, 4)]. Исследованы элементный и фазовый составы, валентно- координационное состояние железа и марганца, характеристики магнитного состояния синтезированных КМ при разных температурах (78 - 340 K), электропроводность (в диапазоне 293 - 673 К) и люминесцентные (возбуждение и эмиссия в области 200 – 900 нм) свойства в сопоставлении со свойствами базовых НПС-матриц. Установлен полифункциональный характер свойств синтезированных стекломатериалов, что обусловлено присутствием в них оксидов двух переходных металлов (Fe и Mn) в разной степени окисления. Разработана методика и на основе НПС синтезированы новые цинк- содержащие КМ, при исследовании которых методами СЭМ, РФА, РФЭС, ЭДС и их электрокинетических свойств установлено присутствие в КМ кристаллической фазы цинкита структурного типа вюрцит с гексогональной сингонгонией (пространственная группа P63mc); показано, что при увеличении содержания ZnO в КМ увеличивается интенсивность пиков энергии связи Zn 2p и абсолютные величины ζS-потенциала. Подтверждена фотокаталитическая активность синтезированных композитов за счет способности НЧ ZnO к выработке активных форм кислорода при УФ облучении, что делает их пригодными для решения экологических проблем.