Des chercheurs des universités de Warwick et de Birmingham ont identifié plusieurs matériaux jusqu’alors inconnus, dont une quatrième forme de vanadiate de bismuth, en observant les étapes intermédiaires d’une synthèse chimique. Publiée dans Nature Communications, la découverte ouvre des perspectives pour la production de carburants solaires et le stockage d’énergie.
La quête de nouveaux matériaux pour la conversion de l’énergie solaire vient de prendre un tournant inattendu. Des chercheurs des universités britanniques de Warwick et de Birmingham ont mis au jour plusieurs composés inconnus jusqu’alors, simplement en observant avec attention ce qui se produit entre le début et la fin d’une synthèse chimique. Leurs travaux, publiés dans la revue Nature Communications, démontrent que les étapes intermédiaires, longtemps négligées par la communauté scientifique, peuvent receler des structures aux propriétés inédites.
Une quatrième forme de vanadiate de bismuth
L’équipe a travaillé à partir de « précurseurs à source unique », des molécules conçues pour contenir l’ensemble des éléments nécessaires à l’obtention du matériau final. En suivant leur décomposition thermique étape par étape, les scientifiques ont identifié plusieurs phases intermédiaires stables. Parmi elles figure le β-BiVO₄, une forme de vanadiate de bismuth à stabilisation cinétique dont l’existence était jusqu’ici passée inaperçue.
Le vanadiate de bismuth est un composé abondamment étudié dans la recherche sur les énergies propres. Sa bande interdite, le seuil énergétique qui lui permet d’absorber la lumière solaire et de déclencher des réactions telles que la dissociation de l’eau en hydrogène, en fait un candidat de choix pour la production de carburants solaires. Quelque 8 000 publications scientifiques lui ont été consacrées, décrivant trois polymorphes distincts.
Le β-BiVO₄ constitue un quatrième arrangement atomique, doté d’une bande interdite élargie qui modifie son interaction avec le rayonnement lumineux. Une particularité qui pourrait offrir de nouveaux leviers pour ajuster les matériaux destinés à la catalyse, à l’électronique et à la génération de carburants par voie photochimique.
« Lorsque des matériaux sont élaborés par chauffage, les scientifiques se concentrent généralement sur le produit final, le ‘B’ qui résulte du ‘A’, » explique le Dr Sebastian Pike, du département de chimie de l’université de Warwick. « Mais l’étude montre qu’il existe de nombreuses étapes fascinantes entre le ‘A’ et le ‘B’, et les étapes cachées pourraient être tout aussi importantes.«
Au-delà du solaire : le stockage du lithium
Les découvertes ne se cantonnent pas au domaine solaire. Un autre matériau intermédiaire mis en évidence au cours de l’étude a démontré une capacité à stocker d’importantes quantités de lithium, suggérant des applications potentielles dans les batteries de nouvelle génération.
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« Ce qui est passionnant, c’est que ces matériaux ‘intermédiaires’ ne sont pas de simples étapes transitoires, ils peuvent posséder des propriétés utiles en eux-mêmes« , souligne le Dr Dominik Kubicki, de l’École de chimie de l’université de Birmingham. « En comprenant et en contrôlant leur formation, nous pouvons commencer à concevoir de meilleurs matériaux pour les batteries, la catalyse et l’énergie solaire.«
Observer l’éphémère pour mieux le maîtriser
Pour saisir ces états fugaces, les chercheurs ont combiné plusieurs techniques d’analyse avancées : spectroscopie par résonance magnétique nucléaire (RMN) à l’état solide, diffraction des rayons X et analyse de la fonction de distribution de paires. L’approche multi-instrumentale a permis de caractériser des phases qui échappaient jusqu’alors aux méthodes d’investigation classiques. L’étude démontre également que le choix du précurseur et de sa voie de décomposition constitue un véritable outil de pilotage, capable d’orienter la formation des matériaux vers des architectures que les protocoles de chauffage conventionnels ne permettent pas d’atteindre.
« Nous n’avons étudié que quelques précurseurs ici, mais ces travaux ouvrent la voie à de nouvelles opportunités plus larges en science des matériaux« , indique le Dr Pike. « En contrôlant soigneusement la température, la chimie des précurseurs et les voies de réaction, il existe peut-être bien d’autres matériaux ‘cachés’ mais extrêmement utiles à découvrir.«
La perspective est double : revisiter des synthèses que l’on croyait parfaitement comprises et, simultanément, explorer méthodiquement l’espace chimique qui sépare les réactifs des produits finaux. Une démarche qui, appliquée à plus large échelle, pourrait enrichir notablement le catalogue des matériaux fonctionnels disponibles pour les technologies de la transition énergétique.
Article : « Amorphous intermediates and discovery of a kinetic polymorph of BiVO4 from heating V+Bi+Zn single-source precursors » – Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-026-71702-7
