Exploration d'une nouvelle forme de polymorphe Sn3O4 : synthèse et analyse

Le réglage des conditions de réaction telles que le degré de remplissage et la composition des gaz peut avoir un impact majeur sur les produits obtenus par synthèse hydrothermale obtenus. Cela a été clairement représenté dans la nouvelle étude de Tokyo Tech où ils ont synthétisé un polymorphe orthorhombique non rapporté de Sn3O4 au lieu de la phase monoclinique conventionnelle en optimisant les conditions à l'intérieur du réacteur hydrothermique. Le Sn3O4 orthorhombique a une bande interdite plus étroite que celle conventionnelle, ce qui le rend utile comme photocatalyseur actif dans la lumière visible.

Les oxydes d'étain (SnxOy) se retrouvent dans de nombreuses technologies modernes en raison de leur nature polyvalente. Les états d'oxydation multivalents de l'étain - Sn2+ et Sn4+ - confèrent aux oxydes d'étain une électroconductivité, une photocatalyse et diverses propriétés fonctionnelles. Pour l'application de photocatalyse des oxydes d'étain, une bande interdite étroite pour l'absorption de la lumière visible est indispensable pour utiliser une large gamme d'énergie solaire. Par conséquent, la découverte de nouveaux SnxOy pourrait contribuer à améliorer l'efficacité de nombreuses réactions photocatalytiques importantes pour l'environnement, telles que la séparation de l'eau et la réduction du CO2. Bien qu'il existe de nombreuses prédictions théoriques et informatiques de nouveaux SnxOy stables, il reste encore un besoin d'études expérimentales qui peuvent transformer les prédictions en réalité.

Prenant cela comme un appel à l'action, des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo, de la National Defense Academy et de Mitsubishi Materials Corporation ont conçu un nouvel oxyde d'étain. Dans leur récente découverte publiée dans Angewandte Chemie International Edition, MY Liu et al. ont présenté une nouvelle approche de synthèse hydrothermique optimisée qui a conduit à la synthèse d'un polymorphe Sn3O4 avec une structure cristalline orthorhombique inédite. La recherche a été réalisée dans le groupe de recherche collaboratif Mitsubishi Materials Sustainability Innovation avec le soutien de la plateforme d'innovation ouverte de l'Institut de technologie de Tokyo.

Le chef de projet, le professeur Miyauchi, explique la force motrice de l'étude : "Le but de notre étude était double. Le premier était la synthèse d'un nouveau polymorphe d'oxyde d'étain et le second était son application pour un photocatalyseur sensible à la lumière visible. "

L'équipe a mis en place plusieurs réacteurs hydrothermaux thermiques avec le même matériau de départ pour la préparation de Sn3O4. Dans la première série d'un ensemble, ils ont modifié le degré de remplissage de la solution de précurseur en remplissant 20, 40, 60 et 80 % d'un revêtement en téflon de 100 ml. Pour la deuxième série, ils ont maintenu le taux de remplissage constant à 20 % et les chemises en téflon ont été remplies respectivement d'air ambiant, d'oxygène pur et d'azote pur.

L'équipe a ensuite effectué une analyse de Rietveld, une spectroscopie de rayons X et des calculs de premier principe sur les produits formés. L'analyse a montré que le nouveau polymorphe Sn3O4 a la formule chimique de Sn(II)2Sn(IV)O4. Son diagramme de diffraction des rayons X n'a ​​jamais été signalé et est attribué à une phase cristalline orthorhombique sur la base d'analyses empiriques et informatiques. Les études comparatives pour le réglage de la composition du gaz et du degré de remplissage ont montré que le polymorphe orthorhombique ne se formait que lorsque le degré de remplissage était élevé ou lorsque le gaz introduit était inerte et contenait moins d'oxygène. L'équipe a donc suggéré que prêter attention à la source d'oxygène pourrait être la clé d'une synthèse hydrothermale plus précise.

Le nouveau polymorphe orthorhombique Sn3O4 rapporté dans cette étude a une bande interdite plus petite qu'un Sn3O4 monoclinique conventionnel, indiquant une plus grande efficacité d'absorption de la lumière visible. De plus, la bande de conduction du polymorphe orthorhombique est suffisamment élevée pour entraîner une réaction de réduction du CO2.

La méthode hydrothermale est une méthode de synthèse de matériaux largement utilisée. Cette étude révèle que les paramètres souvent négligés dans la synthèse hydrothermale affectent considérablement la structure cristalline. Cette découverte est instructive pour la découverte de nombreux nouveaux matériaux d'oxyde.

Référence

1 Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux, École des matériaux et de la technologie chimique, Institut de technologie de Tokyo, Japon

2 Center for Green Research on Energy and Environmental Materials, National Institute for Materials Science, Japon

3 Station de rayons X synchrotron à SPring-8, Institut national des sciences des matériaux, Japon

4 Centre de recherche pour la mesure et la caractérisation avancées, Institut national des sciences des matériaux, Japon

5 Centre de recherche sur les matériaux fonctionnels, Institut national des sciences des matériaux, Japon

6 Centre d'innovation, Mitsubishi Materials Corporation, Japon

7 Département des sciences et de l'ingénierie des matériaux, National Defence Academy, Japon