Труды КНЦ (Технические науки вып.2/2025(16))

Введение Допирование ионами металлов является важной стратегией в области разработки новых материалов для энергетических и электронных приложений. В частности, внедрение ионов в структуру оксидов, таких как L i 2 TiO 3 и Li 4 T isO i 2 , позволяет изменять их электропроводность, стабильность и другие ключевые свойства [ 1 ]. Li 2 TiO 3 — титанат-лития с потенциалом использования в термоядерных реакторах и ячейках литий-ионных аккумуляторов, а Li 4 T isO i 2 — известный анодный материал с высокой стабильностью и долговечностью. Допирование этими ионами способствует улучшению их характеристик за счет изменения электронной структуры, повышения электропроводности, стабилизации кристаллической решетки и повышения адсорбционной емкости [2; 3]. Адсорбенты на основе лития-титана, такие как Li 4 Ti 5 O 12 и Li 2 TiO 3 , характеризуются простотой синтеза, высокой степенью извлечения ионов Li+, хорошей селективностью (на фоне конкурирующих ионов металлов K+, Na+, Mg2+, Ca2+), а также экологической чистотой. Однако нерешенной остается проблема потери емкости в многократных циклах адсорбции-десорбции лития. Исследование процессов допирования ионами Fe3+, Zr4+, Mg2+ оксидов L i 2 T iO 3 и Li 4 T isO i 2 является актуальной задачей для повышения эффективности их применения в современных процессах адсорбции [4; 5]. Цель настоящей работы — установление влияния допирования ионами металлов (Fe3+, Zr4+, Mg2+) на адсорбционные свойства оксидов Li 4 Ti 5 O 12 и Li 2 TiO 3 в многократных циклах адсорбции-десорбции ионов Li+. Материалы и методы Карбонат лития (Li 2 CO 3 ), диоксид титана (анатаз TiO 2 ), оксид железа (Fe 2 O 3 ), диоксид циркония (ZrO 2 ), оксид магния (MgO), соляная кислота (HCl), гидроксид лития (LiOH) квалификации «х. ч.» и «ч. д. а.» («5 океанов», Беларусь) использовали для получения образцов адсорбентов на основе оксидов Li 4 Ti 5 O 12 и Li 2 TiO 3 , перевода в H -форму и проведения сорбционного эксперимента. При приготовлении всех водных растворов использовали деионизированную воду (удельное электрическое сопротивление 18,2 М Ом см ). Образцы Li 4 Ti 5 O 12 и Li 2 TiO 3 получали твердофазным методом синтеза. Далее прессовали в таблетки и прокаливали в электропечи B180 (Nabertherm, Германия) в воздушной среде при температуре 700 °С (скорость нагрева 5 °С/мин) в течение 5 ч. Сорбционные свойства полученных образцов изучали в статических условиях при V/m = 250 см3/г с использованием модельного раствора лития (C(Li+) = 1,0 г/л, pH = 12,0). Исходную (Cc(Li), мг/л) и равновесные (Ceq(Li), мг/л) концентрации ионов Li+ определяли методом атомно-адсорбционной спектроскопии на атомно-абсорбционном спектрометре SpectrAA 220 FS (Varian, Австралия). Сорбционную емкость (q, мг/г) рассчитывали по уравнению: q = (C 0 -Ceq)V/m, где C 0 и Ceq— исходная и равновесная концентрация ионов Li+, мг/л; V — объем модельного раствора, л; m — масса навески адсорбента, г. Результаты и обсуждение Для установления эффективности адсорбентов в многократных циклах адсорбции-десорбции ионов Li+ проведен эксперимент по кислотной регенерации и определению адсорбционной емкости исходных образцов оксидов Li 4 Ti 5 O 12 и Li 2 TiO 3 , а также образцов L i 1 , 33 - xFe 3 xTi 1 , 67 - 2 xO 4 (x = 0 , 1 ) и Li 2 - 2 xFexTi 1 -xO 3 (x = 0,05), допированных ионом Fe3+(рис. 1). Показано, что образец Li 4 T i 5 O 12 сохраняет способность к адсорбции ионов Li+ в течение пяти циклов кислотной регенерации, однако потери емкости составляют до 48,2 мг/г, начиная от первого цикла (86,7 мг/г) и заканчивая пятым циклом (38,5 мг/г). Схожие закономерности прослеживаются у исходного образца Li 2 TiO 3 , где потеря адсорбционной емкости составляет до 54,3 мг/г. Обращая внимание на pH растворов после кислотной регенерации, можно предположить, что кинетика диффузии протекает достаточно медленно, так как значение pH значительно возрастает от первого цикла (pH 8,1-8,0) к пятому циклу (pH 10,9-11,2). Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. 2025. Т. 16, № 2. С. 37-41. Transactions of the Kola Science Centre of RAS. Series: Engineering Sciences. 2025. Vol. 16, No. 2. P. 37-41. © Иванец А. И., Бичева Е. С., 2025 38