Prediction of the limits of isomorphous substitutions of strontium or barium by sodium and actinides for their immobilization in molybdates M1–x(Na0.5An0.5)xMoO4 (M = Sr or Ba) with a scheelite-type structure
DOI (Low Temperature Physics):
https://doi.org/10.1063/10.0042359Ключові слова:
isomorphous substitutions, Goldschmidt’s polarity rule, second polarity rule of isomorphous substitutions, critical decomposition temperatures, radioactive waste management, scheelite structure, solid solution, molybdates, actinidesАнотація
У межах кристалоенергетичної теорії ізоморфних заміщень розраховано енергії змішування (параметри взаємодії), критичні температури розпаду (стабільність), границі ізоморфних заміщень, ємності ізоморфних матриць щодо актиноїдів, а також оцінено області термодинамічної стабільності твердих розчинів систем Sr1–x (Na0,5An0,5)xMoO4 та Ba1–x (Na0,5An0,5)xMoO4, де An — актиноїди. Показано, що значення сумарної енергії змішування та критичні температури розпаду визначаються головним чином різницею в розмірах заміщуваних структурних одиниць, і вони зростають зі збільшенням порядкового номера актиноїду. Побудовано куполи розпаду твердих розчинів у діапазоні концентрацій від x = 0 до 1,0 із кроком x = 0,05, які дають змогу визначати температуру розпаду за заданим складом, рівноважну границю заміщення за заданої температури та області термодинамічної стабільності твердих розчинів. За температурних умов утилізації радіоактивних відходів, рекомендованих МАГАТЕ (нижче 373 К), термодинамічно стабільними є безперервні ряди твердих розчинів Sr1–x (Na0,5An0,5)xMoO4 для актиноїдів ряду Ac–Pu, тоді як для важчих актиноїдів, а також для твердих розчинів систем Ba1–x (Na0,5An0,5)xMoO4 вони є метастабільними або розпадаються. За температури 373 К визначено ізоморфні ємності матриць (границі заміщень) SrMoO4 відносно актиноїдів. Асиметричні тверді розчини систем Ba1–x (Na0,5An0,5)xMoO4 підпорядковуються не лише відомому правилу полярності (спрямованості) Гольдшмідта, а й запропонованому нами раніше другому правилу полярності (розпаду) твердих розчинів: «температура розкладу асиметричного регулярного твердого розчину при однаковому вмісті розчиненої речовини вища, якщо він базується на компоненті з меншим розміром заміщувальної структурної одиниці, і є нижчою, якщо він базується на компоненті з більшим розміром».
Посилання
C. Meng, W. Li, C. Ren, and J. Zhao, “Structure and chemical durability studies of powellite ceramics Ca1–xLix/2Gdx/2MoO4 (0 ≤ x ≤ 1) for radioactive waste storage,” J. Mater. Sci. 55, 2741 (2020). https://doi.org/10.1007/s10853-019-04223-y
E. A. Potanina, A. I. Orlova, A. V. Nokhrin, M. S. Boldin, N. V. Sakharov, O. A. Belkin, V. N. Chuvil’deev, M. G. Tokarev, S. V. Shotin, and A. Yu. Zelenov, “Characterization of Nax(Ca/Sr)1–2xNdxWO4 complex tungstates fine-grained ceramics obtained by spark plasma sintering,” Ceram. Int. 44, 4033 (2018). https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.11.199
The Chemistry of the Actinide Elements, Vol. 2, edited by, J. J. Katz, G. T. Seaborg, and L. R. Morss (Springer Dordrecht, 1986).
I. C. Nogueira, L. S. Cavalcante, P. F. S. Pereira, M. M. de Jesus, J. M. Rivas Mercury, N. C. Batista, M. S. Li, and E. Longo, “Rietveld refinement, morphology and optical properties of (Ba1–xSrx)MoO4 crystals.” J. Appl. Cryst. 46, 1434 (2013). https://doi.org/10.1107/S0021889813020335
A. Priya, E. Sinha, and S. K. Rout, “Structural, optical and microwave dielectric properties of Ba1–xSrxWO4 ceramics prepared by solid state reaction route,” Solid State Sci. 20, 10 (2013). https://doi.org/10.1016/j.solidstatesciences.2013.03.002
B. Bakiz, A. Hallaoui, A. Taoufyq, A. Benlhachemi, F. Guinneton, S. Villain, M. Ezahri, J.-C. Valmalette, M. Arab, and J.-R. Gavarri, “Luminescent properties under X-ray excitation of Ba1–xPbxWO4 disordered solid solution,” J. Solid State Chem. 258, 146 (2018). https://doi.org/10.1016/j.jssc.2017.10.014
T. Anitha, A. E. Reddy, Y. A. Kumar, Y.-R. Cho, and H.-J. Kim, “One-step synthesis and electrochemical performance of a PbMoO4/CdMoO4 composite as an electrode material for high-performance supercapacitor applications,” Dalton Trans. 48, 10652 (2019). https://doi.org/10.1039/C9DT01931F
A. V. Degtyarev, “Problematic issues of disposal of radioactive waste into space,” Kosmichna Nauka i Tekhnologiya 20, 58 (2014).
I. S. Skiter and Ye. Ye. Vtornikova, “Development of the matrix material selection algorithm for immobilization of transurane elements using the modified method of analysis of hierarchies,” Nuclear and Radiation Safety 78, 36 (2018). https://doi.org/10.32918/nrs.2018.2(78).06
R. D. Shannon, “Revised effective ionic radii and systematic studies of interatomic distances in halides and chalcogenides,” Acta Cryst. A 32, 751 (1976). https://doi.org/10.1107/S0567739476001551
Design Principles and Approaches for Radioactive Waste Repositories (IAEA Nuclear Energy Series No. NW–T–1.27) (International Atomic Energy Agency, Vienna, 2020).
F. Gera and J. Heinonen, “Nuclear waste disposal: Understanding what happens underground. assessing “near-field” effects for safe long-term isolation,” IAEA Bulletin 27, 35 (1985).
A. Alam, S. A. Khattak, G. Rooh, H. B. Albargi, A. Khan, N. Khan, I. Ullah, S. Zulfiqar, T. Khan, and G. Khan, “Investigation of strontium/barium silicate glasses through MCNPX and Phy–X for X–rays shielding,” Silicon 16, 5833 (2024). https://doi.org/10.1007/s12633-024-03109-2
V. S. Urusov, Energetic criteria for solid solution miscibility gap calculations, in: Bulletin de la Société française de Minéralogie et de Cristallographie (Les solutions solides en minéralogie, Colloque international du C.N.R.S., No. 234, 27–30 mai 1974, Orléans, France) 97, 217 (1974).
V. S. Urusov, “Energetic theory of miscibility gaps in mineral solid solutions,” Fortschr. Mineral. 52, 141 (1975).
A. Tabuteau, Cristallochimie et proprietes magnetiques de quelques familles de composes oxygenes d'elements transuraniens (neptunium, plutonium et americium) [Crystallography and magnetic properties of transuranium element oxygen compounds (Np, Pu and Am)], Doctoral dissertation abstract, INIS Repository, International Atomic Energy Agency, INIS RN 14786163, Paris-6 Univ., France (1981).
W. W. Schulz, The Chemistry of Americium. Technical Report, ERDA Technical Information Center (Oak Ridge, Tennessee, 1976).
D. H. Templeton, “Madelung constants and coordination,” J. Chem. Phys. 21, 2097 (1953). https://doi.org/10.1063/1.1698788
E. J. Little, Jr. and M. M. Jones, “A complete table of electronegativity values,” J. Chem. Educ. 37, 231 (1960). https://doi.org/10.1021/ed037p231
S. S. Batsanov, The Concept of Electronegativity and Structural Chemistry, Sov. Sci. Rev. B. Chem. Rev. (CRC Press, 1990), Vol. 15, Chap. 4.
E. Gürmen, E. Daniels, and J. S. King, “Crystal structure refinement of SrMoO4, SrWO4, CaMoO4, and BaWO4 by neutron diffraction,” J. Chem. Phys. 55, 1093 (1971). https://doi.org/10.1063/1.1676191
E. I. Get’man, Calculation of cation–tetrahedral anion distances based on ionic radii in some double salts, Manuscript deposited at ONIITEKHIM, Cherkasy, No. 416 KhP-D83, April 19 (1983), 12 p.
R. Becker, “Über den aufbau binarer legierungen,” Z. Metallkunde 29, 245 (1937).
E. I. Get’man and S. V. Radio, “Isomorphous substitution of strontium by sodium and rare-earth elements in molybdates with the scheelite-type structure Sr1–x(Na0.5Ln0.5)xMoO4, where Ln = La–Lu,” Funct. Mater. 32, 544 (2025).https://doi.org/10.15407/fm32.04.544
V. Nassif, R. E. Carbonio, and J. A. Alonso, “Neutron diffraction study of the crystal structure of BaMoO4: A suitable precursor for metallic BaMoO3 perovskite,” J. Solid State Chem. 146, 266 (1999). https://doi.org/10.1006/jssc.1999.8352
E. Get’man and S. Radio, Systems Ba1–x(Na0.5Ln0.5)xMoO4 and the second rule of polarity of isovalent isomorphism, Book of abstracts of XXI International Conference on Inorganic Chemistry Ukraine (XXI ICICU), Uzhhorod 2024, June 3-6, Uzhhorod: Publishing House of UzhNU «Hoverla» (2024).
E. I. Get’man and S. V. Radio, “Prediction of thermodynamic stability and limits of isomorphous substitutions in potential high-temperature superconductors of the Pb10–xCux(PO4)6O (LK-99) system,” Low Temp. Phys. 51, 348 (2025) [Fiz. Nyzk. Temp. 51, 385 (2025)]. https://doi.org/10.1063/10.0035838
