Nanoparticule de Y2O3

Student:Boboc Marius Nicolae Universitatea Politehnica din BucurestiFacultatea de Inginerie MedicalaGrupa:1431

Cuprins

1.Introducere3-4p2.Proprietati ale Y2O3 ..4p3.Aplicatii ale Y2O3.5-7p4.Rute de sinteza.Metode de caracterizare..7p5.Metoda sol-gel pentru sinteza Y2O3.8-11p6.Caz particular YSZ...12-14p7.Aplicatii ale YSZ..15p8.Concluzii..16p9.Bibliografie..17p

1.IntroducereOxidul de ytriu, de asemenea, cunoscut sub numele de ytria, Y2O3. Este o, substan solid de culoare alb. Oxidul de ytriu este folosit ca un material de pornire comun att pentru tiina materialelor, precum i compui anorganici.Masa molara este de 225.81 g/mol. Insolubil n ap i alcaline, solubil n acid i alcool. Expus n aer este uor de a absorbi dioxidul de carbon i deteriorarea apei. Utilizat n fabricarea de manoane pentru lmpi cu incandescen, culori fosforescente TV, aditivi magnetice, dar, de asemenea si pentru industria nuclear. Pseudonime sunt oxid de ytriu, oxid de ytriu (III), i alte materiale int. Ytriul a fost descoperit n mineralul gadolinit, iar Carl Gustav Mosander a artat, mai trziu, faptul c n minereul de yttriu se gsesc mai multe elemente.n anul 1787 Carl Axel Arrehenius a gsit ntr-o carier n apropierea Ytterby, Suedia, un nou mineral, pe care l-a numit ytterbite, i a fcut o analiz sumar a acestuia. Mai mult, chimistul finlandez Johan Gadolin izolat n 1794 plecnd de la acest mineral a descoperit un oxid nou impur, pe care l-a numit ytterbia. Friedrich Whler a purificat parial ytriu de metal n 1828, n timp ce Carl Gustaf Mosander a separat oxizii de ytriu, erbiu i terbiu n 1843 dintr-un amestec de oxid de ytriu.Ytriul e gsit n majoritatea mineralelor pmnturilor rare,precum i n unele minereuri de uraniu, dar nu e gsit niciodat n natur ca element liber. Aproximativ 31 ppm (pri pe milion) din scoara terestr e ytriu, fcndu-l al 28-lea cel mai abundent element, de 400 de ori mai comun de ct argintul. n sol, ytriul e gsit n cocentraii ntre 10 i 150 ppm (greutatea medie uscat e de 23 ppm), iar n apa de mare, de 9 ppt (pri pe trilion).Ytriul nu are niciun rol biologic, dei e gsit n majoritatea, dac nu n toate organismele, de obicei concentrndu-se n ficatul, rinichii, splina, plmnii i oasele oamenilor. n mod normal, se gsesc 0,5 miligrame n ntregul corp uman; laptele de mam uman conine 4 ppm. Ytriul poate fi gsit n plantele comestibile n concentraii de la 20 ppm la 100 ppm, varza avnd cea mai mare cantitate.Seminele plantelor lemnoase au cea mai mare concentraie, cu pn la 700 ppm.Oxidul de ytiu este considerat in prezent un compus important datorita faptului ca prezinta o structura cubica la fel ca cea a oxidului de ceriu si de aceea este considerat un candidat pentru aplicatiile biologice. Ytriu i compuii si au o mare varietate de utilizri. Oxidul de ytriu (Y2O3) reprezint cea mai mare utilizare a elementului. Oxidul, precum i vandatul de ytriu (YVO4), este utilizat cu europium pentru a face fosfor pentru a crea culoarea roie n tuburile de televiziune. n 1987, s-a descoperit c oxidul de ytriu, bariu i cupru e un supraconductor la temperaturi nalte.Era al doilea material cunoscut ce avea aceast proprietate, fiind primul care s fie supraconductor la o temperatur mai mare dect cea de fierbere a azotului . Ytriul este de asemenea folosit n producerea de electrozi, electrolii, filtre electronice, lasere, supraconductori, diverse aparate medicale i n urmrirea diverselor materiale pentru a le spori proprietile. Ytriul nu are niciun rol biologic, expunerea la compuii acestuia putnd ns cauza cancer pulmonar la oameni.Cantiti mici de ytriu (0.1-0.2 procente) pot fi folosit pentru a reduce dimensiunea granulei la crom, molibden, zirconiu i titan, precum i pentru a crete puterea aluminiului i a aliajelor de magneziu. Aliaje cu alte proprieti utile pot fi obinute prin utilizarea de ytriu ca aditiv. Metalul poate fi folosit ca un dezoxidant pentru vanadiu i alte metale neferoase. Ytriul poate fi utilizat n sisteme laser i ca un catalizator pentru reaciile de polimerizare a etilenei. El are, de asemenea, o utilizare n formulele ceramice i de sticl, deoarece oxidul are un punct de topire ridicat i i confer sticlei o rezistena la ocuri i caracteristici de expansiune sczute.

2.Proprietati ale Y2O3n ultimii ani oamenii de stiinta au intensificat cercetarea lor n domeniul nanoparticulelor n principal din cauza rezultatelor inovatoare i neateptate care sunt realizate prin modificarea proprietilor atomice i moleculare ale diferitelor elemente. Nanoparticulele au utilizare n domeniul tehnologiei bio, a medicamentelor, sisteme optice i electronice. Nanoparticulele de oxid de ytriu (Y2O3) sunt o substanta solida , stabila in aer ,de culoare alb. Este cunoscut si sub numele de ytria si are formula chimica Y2O3. Este un compus organic cu numrul de oxidare +3 care i ofer toi cei 3 electroni de valen. Un bun exemplu e oxidul de ytriu (III) (Y2O3), cunoscut i ca ytria, un solid alb cu 6 coordonate. Acesta este utilizat n domeniul tiinelor materialelor, pentru a face fosfor , utilizat n conferirea culorii roie a tuburilor de imagine din televizoare. O alt utilizare important a nanoparticulelor de oxid de ytriu este n sinteza anorganic. Oxidul de ytriu este un material refractar cu temperatura de topire de 2425 de grade Celsius iar temperatura de fierbere este 4300 de grade Celsius. Este stabil termodinamic.Este solubil in acizi si alcooli si insolubil in apa. Elementul pur e relativ stabil n aer n forma sa compact, din cauza pasivizrii rezultat din formarea unui strat de oxid protector (Y2O3) pe suprafaa sa. Acest nveli poate avea o grosime de 10 m cnd ytriul e nclzit la 750 C n vapori de ap. Cnd e divizat fin, totui, ytriul e foarte nestabil n aer; bucele sau achii de metal se pot aprinde n aer la temperaturi de peste 400 C.Propeietati fizice : Oxidul de ytriu apare sub forma unei pulberi albe cu morfologie sferica.Are o densitate de 5.010 g/cm3 .Compozitia chimica:78.7 % ytriu si 21.1% oxigen.Conductivitatea termica a oxidului de ytriu este 27 W/(mK).Se poate gasi sub forma de tablete,piese si diverse granulatii dar si sub forma de nanoparticule.Are o structura cristalina cubica.Oxidul de ytriu este derivat din hidroxidul de ytriu.Procesul de fabricatie presupune tratamentul termic al hidroxidului de ytriu care este cultivat catodic.

Structura:

Rosu sunt ionii O2- iar cu gri sun ionii de Y3+.

3.Aplicatii Y2O3

ConsumatoriYtria (Y2O3) poate servi ca reea gazd pentru doparea cu cationi de Eu3+ pentru a obine vandat de ytriu dopat YVO4:Eu3+ sau fosfori de oxid de sulfur de ytriu Y2O2S:Eu3+care dau culoarea roie n tuburile colorate ale televizoarelor color, dei culoarea roie n sine e de fapt emis de europiu n timp ce ytriul colecteaz energie din tunul electronic i o d fosforului. Compuii ytriului pot servi ca reele gazd pentru doparea cu diveri cationi lantanizi. n afar de Eu3+ i Tb3+ e folosit ca agent de dopaj, ducnd la luminescena verde. Ytria e de asemenea folosit ca un aditiv de sinterizare n producia nitrurii poroase de siliciu i ca un material nceptor comun pentru tiina materialelor i pentru producerea altor compui ai ytriului.Compuii ytriului sunt folosii ca i catalizatori pentru polimerizarea etenei. Fiind un metal, e folosit la electrozii unor bujii de nalt performan. Ytriul e de asemenea folosit n fabricarea manoanelor incandescente pentru felinarele cu propan ca nlocuitori pentru toriu, care e radioactiv.Utilizrile n dezvoltare includ oxidul de zirconiu stabilizat cu ytriu, n particular ca electrolit solid i ca un senzor cu oxigen n sistemele de eapament ale automobilelor.

Poteniator pentru materialeMici cantiti de ytriu (de la 0,1% la 0,2%) au fost folosite pentru a reduce granulaia cromului, molibdenului, titanului i zirconiului.E de asemenea folosit pentru a crete duritatea aliajelor de aluminiu-magneziu. Adugarea de ytriu aliajelor mbuntete n general lucrabilitatea, mrete rezistena la recristalizarea la temperaturi mari i crete considerabil rezistena oxidrii la temperaturi ridicate.Ytriul poate fi folosit pentru a dezoxida vanadiul i alte metale neferoase. Ytria e folosit la stabilizarea formei cubice a zirconiei pentru a fi folosit n fabricarea bijuteriilor.A fost studiat o posibil utilizare a ytriului ca nodulizator pentru fabricarea fierului ductil, care are ductilitatea crescut (grafitul formeaz noduli compaci n loc de fulgi pentru a forma fierul ductil). Oxidul de ytriu e de asemenea folosit n ceramic i sticl, deoarece are un punct de topire ridicat, i d acestor materiale o rezisten la oc crescut i expansiune termal sczut. De aceea, e folosit n obiectivele camerelor de fotografiat.

Stiinta materialelorOxidul de ytriu este utilizat si pentru a face granatii de ytriu-fier ,care sunt filtre puternice si foarte eficiente de microunde.Y2O3 este utilizat ca material precursor pentru a face supraconductoare de temperaturi nalte YBa2Cu3O7 pentru a indica raportul constituenilor de metal.

Chimie anorganicaOxidul de ytriu este un important punct de plecare pentru compuii anorganici. Pentru chimie organometalic acesta este transformat n YCl3 printr-o reacie cu acidul clorhidric concentrat i clorur de amoniu.

Laseren particular ,laserele care au ca dopant iterbiu permit aplicarea eficienta att n regim continuu ct si n regim alternativ.La valori mari ale concentraiei de excitare i racire lent are loc stingerea de emisie la frecvena laserului si emisia n band larg. yttria, fluorura de litiu-ytriu (LiYF4) i vanadatul de ytriu (YVO4) sunt folosite n combinaie cu agenii de dopaj, cum ar fi neodimul, erbiul i yterbiul n laserele semi-infraroii.Laserele YAG (granat de ytriu aluminiu) au abilitatea de a opera la putere mare, fiind folosite la forarea,sudarea i tierea metalului.Ca ceramica optica transmite bine in domeniul infrarosu (1-8 microni) lungime de unda . Transmisia ridicata in infrarosu impreuna cu buna rezistenta le eroziune si rezistenta la temperature il fac ideal pentru stratul de protectie din senzoru infrarosu.

Laserele Nd:YAG (neodiu dopat cu granat de ytriu-aluminu) produc o radiatie infrarosie in afara spectrului vizibil.

4.Rute de sinteza

-Tratament hidrotermal-Depunere chimica de vapori-Piroliza spray-Reactie in faza lichida-Polyol-Gel-freezing dry method-Metoda de precipitare omogena -Metoda sol-gel-Metoda de combustie

Metode de caracterizare:-Microscopia electronic prin transmisie (TEM)-Difractia de raze x-Edax energie dispersive spectometry-Fourier transform infrared spectroscopy(FTIR)-Microscop electronic cu baleiaj (SEM)-adsorptie-desorptie de azot-Analiza termica-Spectroscopie UV-Vis-(FESEM) field emission scanning electron microscopy

Analiza SEM

Analiza TEM

5.METODE DE SINTEZA.METODA SOL-GELObtinerea pudrei Y2O3Am ales sa scriu despre metoda sol-gel de sinteza a Y2O3 deoarece aceasta metoda prezinta avantaje precum:Imbunatatirea omogenitatii,puritatea materialului ,permite controlul dimensiunii nano.Experimental:Pudra Yttria a fost dizolvata in acid azotic de puritate crescuta, apoi diluata pana la concentratia molara de 0.26M cu apa deionizata. Pentru a se investiga efectul sulfatului de ammoniac la unele specimene, s-au adaugat 0.9g intr-o solutie de 500ml azotat de Yttria. Apa de ammoniac(2M ) a fost folosita ca decantant. In timpul procesului de precipitare s-a adaugat solutia ce contine ionii precursori de metal la agentul de precipitare. Rata la care s-a efectuat acest proces a fost de 5ml/min. Apoi, precipitatul obtinut a fost lasat timp de 3 ore la agitare magnetica continua. Apoi acesta a fost filtrat si spalat de 4 ori cu apa deionizata, pentru a se elimina ramasitele de azotat de ammoniac NH4NO3. Dupa aceasta, a fost lasat la uscat la temperature de 60 de grade, timp de 24h. Produsul obtinut a fost sfaramat intr-un mojar cu pistil si apoi supus unui proces de calcinare la diferite temperaturi pentru a se obtine pudra de Yttria.Pentru sinterizare, pudrele au fost presate la uscat (~20MPa) in mici cilindri cu diametrul de 13 mm si grosimea de 3 mm apoi compactate isostatic la o presiune de 200MPa. Granulele au fost sinterizate timp de 4 ore la temperature de 1700grade C, in vid(presiune de 1.3*10-3 Pa) intr-un cuptor cu element de incalzire pe baza de molibden. Identificarea fazelor s-a facut prin difractie cu raze X(XRD). Pentru observarea morfologiei pudrei Y2O3 si a precipitatului s-a folosit un microscop electronic(TEM). Densitatea relative a substantei sinterizate s-a calculat prin metoda Arhimedica, folosind apa ca mediu de imersare. Specimenele sinterizate au fost gravate? La 1500 grade C timp de 2 ore. Microstructura suprafetei lor lustruite s-a observat folosind microscopia electronica. Pentru masurarea transmitantei s-au taiat in felii cu grosime de 1.5mm, ambele suprafete fiind lustruite. Calculul transmitantei ceramicelor yttria transparente s-a facut intr-un domeniu de lungimi de unda de la 200 la 1200nm, folosindu-se un spectrofotometru.Rezultate:Relatia dintre pH si apa de ammoniac sau solutia Y(NO3)3 (adaugata ca reactant) este vizibila in figura 1. Daca Solutia de Y(NO3)3 este adaugata peste apa de ammoniac (concentratia apei de ammoniac este mai mare decat a solutiei de Y(NO3)3 , ionii de Y3+ reactioneaza imediat cu hidroxidul, producandu-se precipitatul precursor si scadere treptata a pH-ului solutiei. PH-ul initial al solutiei este 5; platoul, care incepe la pH 6.7 indica faptul ca s-a format precipitatul si ca s-a consumat hidroxidul. Cand pH-ul creste peste 8, inseamna ca procesul de precipitare s-a finalizat. Totodata, cresterea brusca a pH-ului este rezultatul adaugarii in exces de apa de amoniac. Morfologia precursorului este influentata de modalitatea si conditiile de precipitare , ca de exemplu valoare de atins a pH-ului. Observat cu microscopul electronic, precipitatul are o structura asemenea unei piramide de carti(fig 2a), la valori joase al ph-ului. La valori mari ale pH-ului, aceasta structura nu se pastreaza, tinzand sa se darame(fig 2b).

Fig.1.Relatia intre pH si NH3*H2O sau Y(NO3)3 in timpul diferitelor tipuri de initiere:a.initiere normala ; b.initiere reversibila.

Fig.2.TEM morfologia precursorilor produsi prin metoda de initiere normala: (a) pH=7.92 si (b) pH=10.0

Fig.3. TEM morfologia precursorilor produci prin metoda de initiere reversibila: (a) pH=7.92 si (b) pH=10.0

Conform Voigt, variatia morfologiei precipitatului depinde de nivelul de suprasaturatie. Rata de nucleare, creste odata cu cresterea nivelului de suprasaturatie. Acesta este mare in cazul efectuarii precipitarii la valori mari ale pH-ului.Hidroxiacetatul de Yttrium tinde sa aiba o morfologie asemanatoare cu cea a trombocitelor. Acest fenomen pare sa fie cauzat de structura cristalina a hidroxiacetatului de yttrium. Structura unor molecule perfecte de hidroxiacetat de yttrium este alcatuita din straturi primare ce prezinta straturi secundare alternante de ioni de metal. Suprafetele se dezvolta perpendicular pe planele straturilor. Dezvoltarea prin adaugarea de noi straturi este mai inceata decat dezvoltarea extremitatilor straturilor. Ca rezultat al acestor procese, precursorul hidroxid este format din particule cu forme variabile, formand o structura asemanatoare cu cea a trombocitei. Odata cu cresterea suprasaturatiei, aparitia cristalelor va avea loc mai repede.Fig.4. arata morfologia pudrei de Y2O3 la microscopul electronic ( TEM) obinute prin calcinarea a patru tipuri tipice de precipitate la 1100 C timp de 2 ore. O trstur comun ale pulberilor precipitate derivate este c ele au cateva aglomerate. Oricum, condiiile de sintez diferite provoac unele diferene n dispersivitatea acestor pulberi. Comparativ cu pulberea a (fig. 5 (a)), pulberile b-d, au fost mai sever aglomerate. Dei pulberea a are nc unele aglomerate, pulberea prezint cea mai mare dispersivitate dinte aceste pulberi. Se compune n principal din particule rotunde, in comparatie cu particule mari neregulate cu margini ascuite, cum ar fi b-d.

Fig.4

6.Caz particular :YSZ

YSZ - oxid de zirconiu stabilizat cu oxid de ytriuOxidul de zirconiu stabilizat cu oxid de ytriu este o ceramica in care structura cristalina a dioxidului de zirconiu este facuta stabila la temperatura camerei printr-un adoas de oxid de ytriu.Acesti oxizi sunt denumiti Zirconia (ZrO2) si yttria (Y2O3).

Stabilizare:Dioxidul de zirconiu pur sufera o transformare de faza de la monoclinic(stabil la temperature camerei) la tetragonal (1000 grade Celsius) iar mai apoi la cubic (2370 grade Celsius) Conform schemei:monoclinic (1173C)tetragonal (2370C)cubic (2690C) topire

monoclinic: este stabil termodinamic pn la temperatura de peste 950oC; este derivat din structura fluorinei. tetragonal (de temperatur nalt): se formeaz din forma monoclinic la o temperatur cuprins n intervalul 1100 - 1200oC, transformarea polimorf avnd loc cu o variaie de volum de 5%; deriv din structura fluorinei. cubic: apare la 228550C;Structura cristalin a formelor polimorfe ale zirconei: monoclinic (a), tetragonal (b) i cubic (c) .

ZrOZrO

Obtinerea de produse de ceramica din zirconia stabilizata si sinterizata este dificila datorita schimbarii mare de volum insotita de tranzitia de la tetragonal la monoclinic(aproape de 9%).Stabilizarea starii polimorfe cubice a zirconiei la o gama mai larga de temperature este realizata prin substituirea unor ioni de Zr4+(raza ionica de 0,82 ,prea mic pentru reteaua ideala de fluorite caracteristica pentru zircona tetragonala)in reteaua cristalina cu ioni putin mai mari ,de exemplu Y3+.Cateva abrevieri folosite pentru Zirconia stabilizata:PSZ: Zirconia stabilizata partial :4YSZ:cu 4 mol-% Y2O3partial stabilizat ZrO2FSZ zirconia stabilizata complet

Efectul de stabilizare a conductivitii ioniceAdaugarea de Yttria in zirconiul pur inlocuieste unii din ionii de Zr4+ din reteaua de zirconiu cu ionii de Y3+. Acest lucru produce aparitia vacantelor, odata ce 3 ioni de O2- inlocuiesc 4 ioni de O2-. Pe langa asta, face posibila conductia de O2- a zirconiului stabilizat cu yttrium(deci conduce si curentul electric), cu conditia sa fie destul spatiu in jurul vacantei pentru o mobilitate crescuta a acesteia(spatiu care creste odata cu temperature). Proprietatea conductiei ionilor de O2- face ca zirconiul stabilizat cu Yttria sa fie potrivit pentru uzul in cellule de combustibil solid, chiar daca trebuie sa reziste la temperature mari.Conductivitatea ionica a zirconiului stabilizat creste cu cresterea concentratiei dopante(crestere liniara pentru concentratii dopante scazute), apoi atinge starea de saturatie, si dupa scade. Conductivitatea maxima este obtinuta la o concentratie de 8% a Y2O3, la 1000 grade C.

7.Aplicaii

-Este utilizat pentru coroanele dentare datorita duritatii si a inertiei chimice.-Utilizare in turbine cu gaz dar si in motoare cu reactie.-Textile,nanofibre si nanofire-Este folosit ca bijuterii datorita proprietatilor optice in forma de monocristal si a duritatii-O alta aplicatie este utilizarea ca material pentru lamele de cutit nemetalice produse de companiile BOKER si KYOCERA.-O aplicatie foarte importanta este producerea celulelor de combustibil cu oxid solid (SOFC).

YSZ este folosit ca electrolit solid ce permite conductia oxigenului in timp ce se blocheaza conductia electronilor.Pentru a realiza suficienta conductie de ion ,SOFC cu electrolit YSZ trebuie sa fie prelucrata la temperature ridicate (800-1000 grade Celsius).Chiar daca este avantajos faptul ca YSZ pastreaza puterea mecanica la aceste temperaturi ,temperatura ridicata necesara este de multe ori un dezavantaj al SOFC.Densitatea mare de YSZ este deasemenea necesara pentru a separa fizic combustibilul gazos din oxygen sau sistemul electrochimic ar produce o putere neelectrica.

8.Concluzii-materialul nu sufer transformri polimorfe la temperaturi cuprinse ntre 20 i 2500oC.- Ytriul nu are niciun rol biologic, expunerea la compuii acestuia putnd ns cauza cancer pulmonar la oameni;-ytriul nu este gasit niciodata singur in natura;-oxidul de ytriu este folosit ca stabilizator pentru alte metale imbunatatind proprietatile mecanice cat si cele chimice; -oxidul de ytriu prezinta multe rute de sinteza si de caracterizare;-Y2O3 prezinta numeroase aplicatii ,cea mai importanta fiind aceea de obtinere a luminii rosii in televizoarele cu tub;- deoarece are un punct de topire ridicat este utilizat in ceramic si sticla i d acestor materiale o rezisten la oc crescut i expansiune termal sczut.(deci are proprietati relative bune)

9. Bibliografie

1. http://ro.wikipedia.org/wiki/Istoria_descoperirii_elementelor_chimice2. http://ro.swewe.net/word_show.htm/?74374_1&Oxid_de_ytriu3. http://www.chemistryexplained.com/Va-Z/Yttrium.html4. http://www.livescience.com/34564-yttrium.html5. http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=33456. http://ro.wikipedia.org/wiki/Ytriu7. http://www.us-nano.com/inc/sdetail/7488. http://www.us-nano.com/inc/sdetail/3449. http://en.wikipedia.org/wiki/Yttrium%28III%29_oxide10. http://lib.fibopt.ru/Articles/PAPER/GPI/OptM-2006-239.pdf11. http://en.wikipedia.org/wiki/Yttria-stabilized_zirconia12. Cursuri Ceramici pentru Implanturi13. http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=337414. http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1293255806001038

14