Des scientifiques de l’Institut des sciences des matériaux cellulaires de l’Université de Kyoto ont découvert un nouveau composé en grappe qui pourrait s’avérer utile comme catalyseur. Les composés, appelés polyoxométalates, qui contiennent un grand groupe d’oxydes métalliques portent une charge négative. On les trouve partout, des médicaments antiviraux aux piles rechargeables et aux dispositifs de mémoire flash.
Le nouveau composé de cluster est un hydroxy-iodure (HSbOI) et est inhabituel, car il possède de grands clusters chargés positivement. Seule une poignée de ces composés en grappes chargés positivement ont été trouvés et étudiés.
« En science, la découverte d’un nouveau matériau ou d’une nouvelle molécule peut créer une nouvelle science », déclare Hiroshi Kageyama, chimiste de l’Université de Kyoto. « Je crois que ces nouveaux clusters chargés positivement ont un grand potentiel. »
Le premier amas d’oxydes métalliques a été découvert en 1826. Les chimistes ont depuis synthétisé des centaines de composés avec des amas chargés négativement, qui ont des propriétés utiles dans le magnétisme, la catalyse, la conduction ionique, les applications biologiques et l’information quantique. Leurs propriétés les rendent utiles dans divers domaines allant de la catalyse à la médecine et à la synthèse chimique.
Ces dernières années, les scientifiques ont concentré leur attention sur la synthèse de composés avec des clusters chargés positivement et sur l’apprentissage de leurs propriétés.
Kageyama et son collègue Ryu Abe ont trouvé leur cluster positif par accident. Depuis 2016, les deux scientifiques – Kageyama, un chimiste du solide et Abe, un chimiste catalytique – ont cherché à développer de nouveaux composés capables d’absorber la lumière visible pour la photocatalyse. Ils étudiaient un composé contenant du chlore (Sb4O5Cl2) et essayaient de remplacer l’atome de chlore par de l’iode.
« Cependant, un nouveau matériau complètement différent de ce à quoi nous nous attendions a été obtenu accidentellement », explique Kageyama.
Ce que les scientifiques attendaient était un matériau contenant 22 atomes dans la cellule unitaire. Ce qu’ils ont obtenu à la place était un composé qui contient 800 atomes dans sa cellule unitaire.
Au début, les scientifiques ne pouvaient pas démêler la structure du produit chimique. Une technique traditionnelle appelée diffraction des rayons X sur poudre a échoué face à la complexité du matériau. Au bout d’un an, Kageyama a pensé qu’il pourrait utiliser la tomographie électronique tridimensionnelle, une technique de microscopie électronique de pointe qui a récemment attiré l’attention en tant qu’outil d’imagerie de la structure des protéines. Les scientifiques ont approché Artem Abakumov et Joke Hadermann de l’Université d’Anvers, en Belgique, pour travailler sur la structure. Et lorsque leurs collaborateurs ont renvoyé les données, les scientifiques ont été ravis de voir de grands clusters.
D’autres travaux de laboratoire ont montré que la molécule d’hydroxyiodure contenait des protons acides, ce qui est important en catalyse.
« Cette découverte peut ouvrir de nouvelles possibilités dans la conception de catalyseurs à l’état solide », déclare Kageyama.
Leurs travaux seront publiés dans Avancées scientifiques.
Yuki Watanabe et al, Amas d’oxyde d’antimoine polyoxocationique avec des protons acides, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.abm5379. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abm5379