Ученые обнаружили скрытые материалы, которые могут улучшить аккумуляторы и производство солнечного топлива

Исследователи выявили ранее неизвестные материалы, внимательно проследив за тем, что происходит, когда молекулярные прекурсоры распадаются и преобразуются при нагревании. Среди находок — новая форма хорошо изученного материала для чистой энергии.

Работа, опубликованная в Nature Communications, посвящена промежуточным фазам, которые появляются в процессе превращения молекул в твердые материалы. Эти временные стадии часто остаются незамеченными, потому что ученые обычно сосредоточены на конечном продукте. Захватив и изучив их, исследователи обнаружили возможный путь к материалам, которые трудно или невозможно получить с помощью традиционного синтеза.

Скрытые стадии в процессе формирования материалов

Доктор Себастьян Пайк из департамента химии Университета Уорика сказал: «Когда материалы получают путем нагрева, ученые обычно обращают внимание на конечный продукт, тот «B», который получается из «A». Но это исследование показывает, что между «A» и «B» существуют многие интересные стадии, и эти скрытые этапы могут быть столь же важны».

«Мы не знали заранее, что именно найдем, но были уверены, что в промежуточных фазах обязательно будет что-то интересное и неизвестное. Мы были в восторге, обнаружив, что некоторые из этих фаз могут иметь практическое применение уже на самых первых экспериментах».

Исследователи начинали с специально разработанных «однокомпонентных прекурсоров» — молекул, содержащих все элементы, необходимые для создания материала. Затем они отслеживали, как эти молекулы меняются при повышении температуры.

Этот подход выявил несколько ранее неизвестных фаз материалов. Одна из них — новая кинетически стабилизированная форма ванадато-висмута (BiVO4), которую исследователи назвали β‑BiVO4.

BiVO4 привлек внимание в исследованиях чистой энергетики благодаря своему полезному «запрещенному энергетическому зазору» (band gap) — энергии, необходимой для поглощения солнечного света и приведения в действие химических реакций. Его свойства позволяют эффективно поглощать солнечный свет при сохранении достаточной энергии для расщепления воды и получения чистого водородного топлива.

Новоидентифицированная β‑BiVO4 имеет атомную структуру, отличающуюся от известных форм этого материала. У нее также значительно больший энергетический зазор, что изменяет способ взаимодействия с светом.

Эти отличия могут дать исследователям новые способы настройки материалов для использования в производстве солнечных топлив, каталитических процессах и электронике.

Потенциал для аккумуляторов следующего поколения

Обнаруженные промежуточные фазы могут иметь применение не только в солнечной энергетике. Еще один скрытый материал, выявленный в ходе экспериментов, способен аккумулировать большие количества лития, что повышает вероятность его использования в аккумуляторных технологиях следующего поколения.

Доктор Доминик Кубицки из Школы химии Бирмингемского университета сказал: «Удивительно то, что эти «переходные» материалы не просто служат перевалочными этапами — они могут обладать полезными свойствами сами по себе. Понимая и контролируя, как они формируются, мы можем начать проектировать лучшие материалы для аккумуляторов, катализа и солнечной энергетики».

Чтобы наблюдать эти обычно скрытые состояния, исследователи объединили несколько передовых методов, включая твердотельную ЯМР-спектроскопию, рентгеновскую дифракцию и анализ функции распределения пар (pair distribution function).

Их результаты также показали, что выбор прекурсора в начале процесса и способ его разложения сильно влияют на то, какие материалы образуются. Контролируя эти факторы, исследователи могут получить структуры, которые трудно получить с помощью стандартных методов нагрева.

Новый путь к неоткрытым материалам

Полученные данные свидетельствуют о том, что временные стадии формирования материалов могут представлять собой малоисследованный источник полезных соединений. Вместо того чтобы рассматривать промежуточные структуры исключительно как кратковременные этапы на пути к конечному материалу, ученые могут целенаправленно создавать и стабилизировать их для практического применения.

Доктор Пайк заключил: «Мы изучили всего несколько прекурсоров, но эта работа указывает на более широкую возможность в материаловедении. Тщательно контролируя температуру, химию прекурсора и пути реакции, можно обнаружить множество других «скрытых», но чрезвычайно полезных материалов».

Материалы предоставлены Университетом Уорика.

Сведения об авторах и ссылке: Alexandria E. Hands, Thomas J. Barnes, Andrea Scarperi, Benjamin M. Gallant, Emanuele Vismara, Julia Wiktor, Stephen E. Brown, David Walker, Ashok S. Menon, Javier Castells-Gil, Dominik J. Kubicki, Sebastian D. Pike. Amorphous intermediates and discovery of a kinetic polymorph of BiVO4 from heating V Bi Zn single-source precursors. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-71702-7