Modeling of dissolution of oxide phases zirconium and hafnium in acid solutions

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription or Fee Access

Abstract

The article presents the results of the study of the dissolution kinetics of hydrated zirconium and hafnium dioxides. Experimental dependences characterizing the kinetic regularities of the process were obtained by potentiometric titration of dioxide suspensions in acidified aqueous solutions of potassium chloride. The constants of acid-base equilibria at the dioxide/solution interface were calculated, taking into account which the obtained data were interpreted. The staged nature of the dissolution process was established by modeling and comparative analysis of experimental and theoretical curves. It was shown that the dissolution of dioxides occurs with the formation of intermediate adsorption complexes.

Full Text

Restricted Access

About the authors

E. A. Eliseeva

Bauman Moscow State Technical University

Author for correspondence.
Email: el.yakusheva@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

S. L Berezina

Bauman Moscow State Technical University

Email: sberezina2008@yandex.ru
Russian Federation, Moscow

References

  1. Перевалов, Т.В. Применение и электронная структура диэлектриков с высокой диэлектриче-ской проницаемостью / Т.В. Перевалов, В.А. Гриценко // Успехи физических наук. Наука. 2010. Т.180. №6. С.587–601. (Perevalov, T.V. Application and electronic structure of dielectrics with high permittivity / T.V. Perevalov, V.A. Gritsenko // Adv. Phys. Sci. Science. 2010. V.180. №6. P.587–601.).
  2. Kirm, M. Thin films of HfO2 and ZrO2 as potential scintillators / M. Kirm // Nucl. Instruments Methods Phys. Res. Sect. A [Accel. Spectrometers, Detect. Assoc.Equi p]. 2005. V.537. №1–2. P.251–255.
  3. Hsain, H.A. Many routes to ferroelectric HfO2 : A review of current deposition methods / H.A. Hsain, Y. Lee, M. Materano, T. Mittmann [et al.] // J. Vacuum Sci. Tech. A. 2022. V.40. Is.1. doi.org/10.1116/6.0001317
  4. Shin, J. Understanding phase evolution of ferroelectric Hf0,5Zr0,5O2 thin films with Al2O3 and Y2O3 inserted layers / Shin J., Seo H., Ye K.H., Jang Y.H. [et al.] // J. Mater. Chem. C. 2024. V.12. P.5035–5046.
  5. Woodley, S.M. Properties of small TiO2, ZrO2 and HfO2 nanoparticles / S.M. Woodley, S. Hamad, J.A. Mejias, C.R.A. Catlow // J. Mater. Chem. 2006. V.16. №20. P.1927–1933.
  6. Будиновский, С.А. Разработка теплозащитных покрытий для рабочих и сопловых лопаток турбины из жаропрочных и интерметаллидных сплавов / С.А. Будиновский, А.А. Смирнов, П.В. Матвеев, Д.А. Чубаров // Тр. ВИАМ. 2015. №4. С.33–37. (Budinovsky, S.A. Development of heat-protective coatings for turbine working and nozzle blades made of heat-resistant and intermetallic alloys / S.A. Budinovsky, A.A. Smirnov, P.V. Matveev, D.A. Chubarov // Proceedings of VIAM. 2015. №4. P.33–37.).
  7. Житнюк, С.В. Бескислородные керамические материалы для аэрокосмической техники (обзор) / С.В. Житнюк // Тр. ВИАМ. 2018. №8. С.81–88. (Zhitnyuk S.V. Oxygen-free ceramic materials for aerospace engineering (review) / S.V. Zhitnyuk // Proceedings of VIAM. 2018. №8. P.81–88.).
  8. Singh, J. Thermal conductivity and thermal stability of zirconia and hafnia based thermal barrier coatings by EB-PVD for high temperature applications / J. Singh, D.E. Wolfe, R.D. Miller, J. Eldridge [et al.] // Mater. Sci. Forum Vols. 2004. V.455–456. P.579–586.
  9. Соколов, И.В. Использование MathCad для моделирования и расчета кислотно-основных равновесий / И.В. Соколов. – М. : Прометей, 2007. 93 с. – (Sokolov, I.V. Using MathCad for modeling and calculating acid-base equilibria / I.V. Sokolov. – Moscow: Prometey, 2007. 93 p.)
  10. Елисеева, Е.А. Кинетические характеристики растворения диоксида титана в кислотной среде / Е.А. Елисеева, С.Л. Березина // Металлы. 2024. №1. С.36–41. – (Eliseeva, E.A. Kinetic characteristics of titanium dioxide dissolution in an acidic medium / E.A. Eliseeva, S.L. Berezina // Metals. 2024. №1. P.36–41.)
  11. Елисеева, Е.А. Влияние кислотно-основных свойств диоксида циркония на кинетику растворения / Е.А. Елисеева, С.Л. Березина, И.Г. Горичев, В.С. Болдырев // Цв. металлы. 2022. №9. С.56–61. – (Eliseeva, E.A. Influence of acid-base properties of zirconium dioxide on dissolution kinetics / E.A. Eliseeva, S.L. Berezina, I.G. Gorichev, V.S. Boldyrev // Non-ferrous metals. 2022. №9. P.56–61.)
  12. Елисеева, Е.А. Кинетические закономерности растворения оксидов переходных металлов в кислотной среде / Е.А. Елисеева, С.Л. Березина, В.С. Болдырев // Вестн. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2024. №2. С.116–128. (Eliseeva, E.A. Kinetic regularities of dissolution of transition metal oxides in acidic medium / E.A. Eliseeva, S.L. Berezina, V.S. Boldyrev // Bulletin of Bauman Moscow State Technical University. Ser. Natural Sci. 2024. №2. P.116–128.)
  13. Русакова, С.М. Адсорбция ионов на поверхности оксида титана (IV) / С.М. Русакова, И.Г. Горичев, Е.А. Елисеева [и др.] // Перспективные материалы. 2010. №9. С.215–218. – (Rusakova, S.M. Ion adsorption on the surface of titanium (IV) oxide / S.M. Rusakova, I.G. Gorichev, Ye.A. Yeliseeyeva [et al.] // Prospective materials. 2010. №9. P.215–218.)
  14. Панкратов, Д.В. Адсорбция однозарядных ионов на границе оксид железа/электролит с позиции теории связанных мест / Д.В. Панкратов, Е.О. Забенькина, Ю.А. Клюев, И.Г. Горичев // Фундаментальные исследования. 2013. №6. С.88–91. – (Pankratov, D.V. Adsorption of single-charged ions at the iron oxide/electrolyte interface from the position of the theory of bound sites // Fundamental research. 2013. №6. P. 88–91.)
  15. Кострикин, А.В. ИК-спектр гидратированного диоксида титана / А.В. Кострикин, О.В. Косенкова, Р.В. Кузнецова, А.Н. Меркулова, И.В. Линько // Вопр. современной науки и практики. Ун-т им. В.И. Вернадского. 2007. №2 (8). С.181–186. – (Kostrikin, A.V. IR spectrum of hydrated titanium dioxide / A.V. Kostrikin, O.V. Kosenkova, R.V. Kuznetsova, A.N. Merkulova, I.V. Linko // Issues of modern science and practice. Vernadsky University. 2007. №2 (8). P.181–186.).
  16. Тоуб, М. Механизмы неорганических реакций / М. Тоуб, Д. Берджесс. – М. : Изд-во Лаборатория знаний, 2022. 678 с. (Toub, M. Mechanisms of inorganic reactions / M. Toub, D. Burgess. – Moscow : Publisher Laboratory of knowledge, 2022. 678 p.)
  17. Батлер, Д.Л. Ионные равновесия / Д.Л. Батлер. – Л. : Химия, 1973. 446 с. – (Butler, D.L. Ionic equilibria / D.L. Butler. – L. : Chemistry. 1973. 446 p.).
  18. Batrakov, V.V. Constants of acid – base equilibria of the ZrO2/electrolyte / V.V. Batrakov, A.Yu. Khlupov, I.G. Gorichev, A.V. Kostrikin, A.D. Izotov // J. Phys. Chem. 2000. V.74. №3. P.553–558.
  19. Киприянов, Н.А. Моделирование выщелачивания с использованием кислотно-основных свойств окисленных материалов в гидрометаллургии / Н.А. Киприянов, И.Г. Горичев // Вестн. РУДН. Сер. Инженерные исследования. 2008. №3. С.73–78. – (Kipriyanov, N.A. Leaching modeling using acid-base properties of oxidized materials in hydrometallurgy / N.A. Kipriyanov, I.G. Gorichev // Vestnik RUDN. Ser. Engineering research. 2008. №3. P.73–78.
  20. Кострикин, А.В. Особенности строения и кислотно-основные свойства гидратированных диоксидов циркония, гафния, олова и свинца / А.В. Кострикин, И.Г. Горичев, И.В. Линько [и др.] // ЖНХ. 2005. №3. С.386–389. – (Kostrikin, A.V. Structure and acid-base properties of hydrated zirconium, hafnium, tin and lead dioxides / A.V. Kostrikin, I.G. Gorichev, I.V. Lin’ko [et al.] // ZHNKH. 2005. V.50. №3. P. 386–389.)
  21. Савченко, И.Ф. Спектры ПМР гидроокисей циркония и гафния / И.Ф. Савченко, И.А. Шека, И.В. Матяш, А.И. Калиниченко // Укр. хим. журн. 1973. Т.39. Вып.1. С.79,80. – (Savchenko, I.F. Proton magnetic resonance spectra of hydroxyzirconium and hafnium / I.F. Savchenko, I.A. Sheka, I.V. Matyash, A.I. Kalinichenko // Ukrain. Chem. J. 1973. T.39. V.1. P.79,80.)

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Dependence of pH on the added volume of alkali Vi during titration of ZrO2 suspension at KCl concentrations, mol/l: 1 – 0.001; 2 – 0.01; 3 – 0.05; 4 – 0.5; 5 – 1

Download (758KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Titration curves of HfO2 suspension with alkali at a concentration of background electrolyte KCl, mol/l: 1 – 0.001; 2 – 0.01; 3 – 0.05; 4 – 0.1 (Ve – equivalent volume of alkali)

Download (710KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Dependence of charge on pH for HfO2 at a concentration of KCl, mol/l: 1 – 0.1; 2 – 0.05; 3 – 0.01; 4 – 0.001

Download (510KB)
Indexing metadata

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences