Foto: AI/ScienceDaily

V laboratoři na Univerzitě Warwick se odehrává fascinující příběh. Vědci zde objevili skrytý svět materiálů, které se tvoří během zahřívání chemických složek. Tyto materiály, které běžné metody často přehlížejí, mohou přinést revoluci v oblasti solárních paliv a baterií.

Autor původního článku: redakce

Objev skrytých materiálů

Vědci odhalili dosud neznámé materiály tím, že pečlivě sledovali, co se děje, když se molekulární prekurzory rozkládají a transformují během zahřívání. Mezi objevy patří nová forma bismut vanadátu, materiálu, který je široce studován pro svou schopnost využívat sluneční světlo k produkci čistého vodíku.

Výzkum, publikovaný v časopise Nature Communications, se zaměřuje na přechodné fáze, které se objevují, zatímco se molekuly přeměňují na pevné materiály. Tyto dočasné fáze jsou často přehlíženy, protože vědci se obvykle soustředí na konečný produkt. Zachycením a studiem těchto fází vědci našli možnou cestu k materiálům, které je obtížné nebo nemožné získat konvenční syntézou.

Skryté fáze při tvorbě materiálů

Dr. Sebastian Pike z Katedry chemie na Univerzitě Warwick uvedl: „Když se materiály vyrábějí zahříváním, vědci se obvykle soustředí na konečný produkt, na ‚B‘, které vzniká z ‚A‘. Ale tato studie ukazuje, že mezi ‚A‘ a ‚B‘ je mnoho fascinujících fází a tyto skryté kroky mohou být stejně důležité.“

Vědci začali se speciálně navrženými ‚jednozdrojovými prekurzory‘, molekulami obsahujícími všechny prvky potřebné k vytvoření materiálu. Poté sledovali, jak se tyto molekuly mění s rostoucí teplotou. Tento přístup odhalil několik dosud neznámých fází materiálů.

Nová forma bismut vanadátu

Jednou z objevených fází byl nový, kineticky stabilizovaný tvar bismut vanadátu (BiVO4), který vědci pojmenovali β-BiVO4. BiVO4 přitahuje pozornost ve výzkumu čisté energie díky svému užitečnému „energetickému pásmu“ (energie potřebná k absorpci slunečního světla a pohánění chemických reakcí). Jeho vlastnosti mu umožňují efektivně absorbovat sluneční světlo a zároveň dodávat dostatek energie k rozkladu vody a generování čistého vodíkového paliva.

Nově identifikovaný β-BiVO4 má atomové uspořádání, které se liší od známých forem materiálu. Má také výrazně větší energetické pásmo, což mění způsob, jakým interaguje se světlem. Tyto rozdíly by mohly vědcům poskytnout nové způsoby, jak upravovat materiály pro použití v produkci solárních paliv, katalýze a elektronice.

Potenciál pro baterie nové generace

Nově objevené přechodné fáze mohou mít také využití mimo solární energii. Další skrytý materiál identifikovaný během experimentů byl schopen ukládat velké množství lithia, což naznačuje, že by mohl přispět k technologiím baterií nové generace.

Dr. Dominik Kubicki ze School of Chemistry na Univerzitě v Birminghamu řekl: „Co je vzrušující, je, že tyto ‚mezifáze‘ nejsou jen přechodnými kroky – mohou mít užitečné vlastnosti samy o sobě. Pochopením a kontrolou toho, jak se tvoří, můžeme začít navrhovat lepší materiály pro baterie, katalýzu a solární energii.“

Nová cesta k neobjeveným materiálům

Výsledky naznačují, že dočasné fáze při tvorbě materiálů by mohly představovat z velké části neprozkoumaný zdroj užitečných sloučenin. Místo toho, aby vědci považovali přechodné struktury pouze za krátké kroky na cestě k finálnímu materiálu, mohou je záměrně vytvářet a stabilizovat pro praktické aplikace.

Dr. Pike uzavřel: „Studovali jsme zde jen několik prekurzorů, ale tato práce ukazuje na širší příležitost v materiálové vědě. Pečlivým řízením teploty, chemie prekurzorů a reakčních cest může být mnoho dalších ‚skrytých‘, ale extrémně užitečných materiálů k nalezení.“

Techniky a metody

K pozorování těchto normálně skrytých stavů vědci zkombinovali několik špičkových technik, včetně NMR spektroskopie v pevném stavu, rentgenové difrakce a analýzy párové distribuční funkce. Jejich výsledky také ukázaly, že prekurzor vybraný na začátku procesu, spolu s tím, jak se tento prekurzor rozkládá, může silně ovlivnit, které materiály se tvoří.

Původní článek: Scientists find hidden materials that could improve batteries and solar fuels