Учёные обнаружили ранее неизвестные фазы материалов, проследив, как молекулярные предшественники распадаются и преобразуются при нагревании. Среди результатов оказалась новая форма ванадата висмута — материала, который изучают для применения в экологически чистой энергетике. Исследование опубликовано в журнале Nature Communications.
Обычно при синтезе внимание сосредоточено на конечном твёрдом продукте, тогда как промежуточные состояния остаются без подробного изучения. Исследователи использовали специально созданные молекулы-предшественники, содержащие все элементы будущего материала, и наблюдали за их изменениями при повышении температуры. Такой подход позволил выявить несколько неизвестных фаз, которые могут обладать самостоятельными полезными свойствами.
Одной из них стал кинетически стабилизированный вариант ванадата висмута BiVO4, получивший название β-BiVO4. Его атомная структура отличается от строения ранее известных форм этого соединения. Кроме того, новая фаза имеет значительно большую ширину запрещённой зоны — энергетического диапазона, определяющего способность материала поглощать свет.
Ванадат висмута интересен для исследований солнечного топлива: он эффективно поглощает солнечное излучение и при этом обеспечивает энергию, необходимую для расщепления воды и получения водорода. Особенности β-BiVO4 могут помочь по-новому настраивать материалы для производства солнечного топлива, катализа и электроники. Ещё одна обнаруженная промежуточная фаза способна накапливать значительные объёмы лития, что указывает на возможное применение в аккумуляторах следующего поколения.
«Что особенно интересно, эти «промежуточные» материалы не просто служат ступенями на пути к конечному продукту — они сами могут обладать полезными свойствами. Понимая и контролируя процесс их образования, мы можем начать создавать более совершенные материалы для аккумуляторов, катализа и солнечной энергетики», — сказал доктор Доминик Кубицки из Школы химии Бирмингемского университета.
Для изучения скрытых состояний специалисты объединили несколько современных методов, включая твердотельную ядерно-магнитную резонансную спектроскопию, рентгеновскую дифракцию и анализ функции парного распределения. Результаты показали, что выбранный предшественник и характер его разложения во многом определяют формирующиеся материалы. «Мы исследовали лишь несколько предшественников, но эта работа указывает на более широкие возможности материаловедения. Тщательно управляя температурой, химией предшественников и путями реакций, можно обнаружить ещё множество «скрытых», но чрезвычайно полезных материалов», — отметил доктор Себастьян Пайк с кафедры химии Уорикского университета.