Brevet FR3012126A1 — publié le 20150424

COMPOSE DE TYPE OXYDE DE TUNGSTENE PRESENTANT UNE NOUVELLE STRUCTURE CRISTALLINE ET SON PROCEDE DE PREPARATION La présente invention concerne un composé de type oxyde de tungstène présentant une nouvelle structure cristalline ainsi que son procédé de préparation. Les oxydes de tungstène ont été largement décrits dans la littérature, sous forme de composés WO3 stoechiométriques ou sous-stoechiométriques, cristallisés ou non. Les oxydes de tungstène sont utiles dans de nombreuses applications techniques telles que les dispositifs électrochromes, les supercondensateurs, les batteries ou même les photocatalyseurs dans le domaine du visible. Pour ces applications on estime qu'il est important que la structure de ces oxydes puisse présenter des espaces entre les atomes constitutifs de l'oxyde permettant éventuellement une insertion à l'intérieur de cette structure de cations comme notamment le lithium ou le sodium. L'objet de l'invention est de fournir un composé dont la structure présente 20 des espaces encore plus accessibles que ceux présents dans la structure des oxydes de tungstène connus. Dans ce but, le composé de l'invention est un composé de formule (1) AxW1_yMoy03 dans laquelle A est choisi dans le groupe comprenant les cations Li, Na, NH4, K et H, et il est caractérisé en ce que x et y vérifient les relations 25 0 x 1 et 0 É y É 0,5 et en ce qu'il présente une structure cristalline de type hexagonal et à base d'octaèdres W06, ladite structure présentant des tunnels délimités par 6, 4 et 3 desdits octaèdres et orientés selon l'axe c. D'autres caractéristiques, détails et avantages de l'invention apparaîtront encore plus complètement à la lecture de la description qui va suivre faite en 30 référence aux dessins annexés et dans lesquels : - la figure 1 est un schéma illustrant la structure cristalline d'un produit selon l'art antérieur; - la figure 2 est un schéma illustrant la structure cristalline d'un produit selon l'invention; 35 - la figure 3 est un diagramme RX d'un produit selon l'invention; - la figure 4 est un diagramme RX d'un produit comparatif. Comme indiqué plus haut le composé de l'invention présente la formule chimique (1) A,W1_yMoy03. Cette formule doit être interprétée comme couvrant aussi des composés légèrement sous-stoechiométriques en oxygène. Dans cette formule, A est choisi parmi les cations Li, Na, NH4, K et H. A peut être plus particulièrement Na ou Li. Par ailleurs x et y vérifient les relations 0 x 5 1 et 0 5 y 5 0,5. Les composés de formule (1) pour laquelle y n'est pas nul correspondent à des produits dans lesquels le molybdène est en substitution du tungstène. Selon des modes de réalisation particuliers x peut vérifier les relations suivantes 0 x 5. 0,2 et 0,5 5 x 1 et dans le cas où x vérifie cette dernière relation A peut être plus particulièrement Na ou Li. Selon trois autres modes de réalisation particuliers x est égal à 0, y est égal à 0 et x et y sont tous deux égaux à 0, respectivement. Les valeurs de x et de y sont mesurées par la technique de 15 spectroscopie de photoélectrons X dans le cas où A = H, NH4 ou Li ,et par la technique d'analyse dispersive en énergie de rayons X dans les autres cas. D'une manière générale le composé de l'invention présente une structure cristalline de paramètres de maille a : 10,0(1) A et c : 3,9(1) A et de groupe d'espace P6/mmm. La structure contient 6 unités de WO3 par maille. 20 Dans le cas particulier où x = 0,2 et A = H le composé présente une structure cristalline de paramètres de maille a : 9, 9973 A et c : 3,9205 A et de groupe d'espace P6/mmm. Pour l'ensemble de la description, les caractéristiques cristallographiques ont été obtenues par analyse RX avec anticathode de cuivre. 25 La structure cristalline de WO3 (toutes structures confondues, c'est-à-dire celles connues et celle de l'invention) est à base d'octaèdres de WO6 liés entre eux par les sommets. La structure hexagonale classique en particulier présente des tunnels à 3 et 6 octaèdres (Figure 1). La structure cristalline du composé de l'invention est à base d'octaèdres de WO6 qui sont assemblés de 30 manière à former des tunnels de 3, 4 et 6 octaèdres (Figure 2). Les figures 1 et 2 montrent ces structures hexagonales constituées d'arrangements d'octaèdres (1) de W06. Selon une caractéristique nouvelle des composés de l'invention, la structure présente un ensemble de trois types de tunnels, c'est-à-dire des 35 tunnels délimités respectivement par 6, 4 et 3 octaèdres de W06. La présence de ces trois types de tunnels apparait sur la figure 2 qui montre les tunnels (2), (3) et (4) qui sont délimités respectivement par 6, 3 et 4 octaèdres. 3012 126 3 La figure 1 ne fait apparaitre que des tunnels (2) et (3) délimités par 6 ou 3 octaèdres seulement. La nouvelle structure a pour effet d'ajouter des tunnels à 4 octaèdres (4), en conservant les tunnels à 3 et 6 octaèdres. A titre d'exemple, le diamètre 5 des tunnels à 6 octaèdres est de 2,6(1) A, cette valeur étant calculée en tenant compte de la taille des anions d'oxygène. Selon une autre caractéristique du produit de l'invention, celui-ci est composé de particules en forme de plaquettes de 50 à 500 nm, plus particulièrement de 50 à 100 nm de diamètre, et de 2 à 50 nm, plus 10 particulièrement de 5 à 10 nm, d'épaisseur. Cette forme et les dimensions des particules peuvent être mises en évidence par microscopie électronique par transmission (MET). Il faut noter aussi que les tunnels, orientés selon l'axe c, se trouvent situés dans l'épaisseur des plaquettes (perpendiculaires à la face basale des particules). Le composé présente une surface spécifique comprise entre 10 et 200 m2/g, plus particulièrement d'au moins 50 m2/g et qui peut être par exemple de 55 m2/g. On entend par surface spécifique, la surface spécifique B.E.T. 20 déterminée par adsorption d'azote conformément à la norme ASTM D 3663-78 établie à partir de la méthode BRUNAUER - EMMETT- TELLER décrite dans le périodique "The Journal of the American Chemical Society, 60, 309 (1938)". Le procédé de préparation du composé de l'invention va maintenant être décrit. 25 Ce procédé est caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : - (a) on met en présence une solution aqueuse d'un sel de W (VI) et, le cas échéant d'un sel de Mo(VI), avec un agent réducteur; - (b) on ajuste le pH du milieu obtenu à l'issue de l'étape précédente à une valeur d'au plus 7, ce par quoi on obtient une suspension, un cation A étant 30 introduit dans une des étapes (a) ou (b); - (c) on fait subir un mûrissement à la suspension obtenue à l'issue de l'étape (b); - (d) on chauffe le milieu obtenu à l'issue de l'étape (c); - (e) on sépare le solide du milieu issu de l'étape précédente et on le sèche, ce 35 par quoi on obtient un composé Arn1_yMoy03 pour lequel x > 0; - (f) éventuellement on élimine le cation A du composé obtenu à l'issue de l'étape (e), ce par quoi on obtient le composé W1_yMoy03. 3012 126 4 La première étape du procédé de l'invention consiste à former un mélange d'une solution aqueuse d'un sel de tungstate VI avec un agent réducteur. Ce sel peut être un tungstate alcalin comme le tungstate de sodium. Dans le cas de la préparation d'un composé selon la formule (1) dans 5 laquelle y n'est pas nul, le mélange de l'étape (a) comprend en outre un sel de molybdène qui peut être aussi un molybdate alcalin. L'agent réducteur peut être choisi parmi l'hydrazine, les sucres comme le glucose et les ascorbates, par exemple l'ascorbate de sodium. La quantité de réducteur introduite est au moins le double de la quantité d'ions métalliques 10 (W(VI)+Mo(VI)). Dans une deuxième étape du procédé, étape (b), on ajuste le pH du milieu ou du mélange obtenu à l'issue de l'étape précédente à une valeur d'au plus 7. Cette valeur peut être plus particulièrement d'au plus 2 et elle peut être encore plus particulièrement comprise entre 1 et 2. Cet ajustement du pH peut 15 être effectué par ajout d'un acide, l'acide chlorhydrique par exemple. Un cation A doit être introduit dans l'une des étapes (a) et (b). Lorsque A est Li, Na, K ou NH4, ce cation peut être introduit dans l'étape (a) par l'intermédiaire du sel de tungstène et/ou de molybdène, en utilisant un sel de ce et/ou ces éléments et du cation A, le tungstate de potassium par exemple. Le cation A lorsque A est Li, Na, K ou NH4 peut aussi être introduit par l'intermédiaire de l'agent réducteur, l'ascorbate de sodium par exemple ou encore par l'intermédiaire d'un sel contenant A lorsque A est H. Le cation A peut être introduit aussi à l'étape (b) du procédé par le proton de l'acide utilisé pour ajuster le pH. La troisième étape du procédé est une étape de mûrissement de la suspension obtenue à l'issue de l'étape précédente (b). Généralement ce mûrissement se fait à une température d'au plus 80°C. La durée de ce murissement est d'autant plus faible que la température est élevée. Selon un mode préférentiel ce mûrissement se fait à température 30 ambiante (20°C-25°C), par exemple sur une durée de 12 heures. Dans l'étape suivante du procédé, étape (d), on chauffe le milieu obtenu à l'issue du mûrissement à une température d'au moins 95°C, plus particulièrement d'au moins 120°C et encore plus particulièrement d'au moins 200°C, notamment dans le cas où l'agent réducteur est choisi parmi les 35 sucres. La durée du chauffage est généralement d'autant plus longue que la température de chauffage est basse. A titre d'exemple, cette durée peut être d'au moins 12 heures pour une température de 120°C et d'au moins 3 jours pour une température de 95°C. Ce chauffage se fait généralement sous air. A l'issue du chauffage on sépare le solide du milieu obtenu par tout moyen connu. Ce solide est séché sous vide ou sous air, éventuellement après un lavage. A l'issue du séchage on obtient un composé selon l'invention sous forme réduite, c'est-à-dire un composé de formule (1) dans laquelle x > 0 et donc un composé comprenant le cation A. Le procédé de préparation de l'invention comprend une étape supplémentaire pour obtenir le composé sous forme stoechiométrique, c'est-à10 dire un composé de formule (1) dans laquelle x = 0 et donc un composé sans cation A. Cette étape supplémentaire, étape (f), peut être réalisée selon différentes variantes. L'étape (f) peut être tout d'abord un chauffage sous air, notamment à une 15 température comprise entre 70°C et 400°C pendant au moins 2 heures, dans le cas où A est NH4 ou H. Dans le cas où A est Li, Na, K, NH4 ou H, cette étape supplémentaire peut consister à faire subir une oxydation électrochimique au composé obtenu précédemment. 20 Cette oxydation peut être réalisée en déposant le composé sous forme réduite et sous forme de poudre sur un substrat conducteur qui sert d'électrode. Cette électrode est plongée dans un électrolyte dans lequel est plongée aussi une contre-électrode, en platine par exemple. On applique alors une différence de potentiel entre les deux électrodes de façon à ce que le 25 potentiel de l'électrode sur laquelle a été déposé le composé soit supérieur à OV par rapport à l'électrode standard à hydrogène. Selon une troisième variante de cette étape supplémentaire et dans le cas où A est Li, Na, K ou NH4, un échange ionique peut alors être effectué, notamment en redispersant le composé sous forme réduite dans un milieu 30 aqueux acide à pH 5 1, pour remplacer Li, Na, K ou NH4 par H. Le composé alors obtenu est de formule (1) où A est H. Ce composé est alors traité par l'une des méthodes citées ci-dessus, à savoir le chauffage sous air ou l'oxydation électrochimique. 35 Des exemples vont maintenant être donnés. EXEMPLE 1 Cet exemple concerne la préparation d'un composé selon l'invention sous forme réduite et pour lequel A = H et sous forme stoechiométrique. On forme un mélange d'une solution stable de tungstate de sodium 5 Na2wv04. 2H20 (0,15 mol/L) avec de l'hydrazine (2,5 équivalents). Le pH est ajusté à 1,3 avec de l'acide chlorhydrique. On obtient une suspension d'un composé blanc qui est maintenue à température ambiante (25°C) pendant 12 heures pour mûrissement. On chauffe ensuite la suspension à 95°C ce par quoi on obtient une suspension d'un produit bleu foncé. Le chauffage est 10 maintenu à cette température pendant 3 jours. Le produit solide est ensuite lavé à l'eau distillée par centrifugation et séché. Il répond à la formule Ho,1WO3- Le produit séché est chauffé ensuite 12 h à 100°C sous air. On obtient ainsi un composé de formule W03. Les deux produits après séchage et après chauffage présentent le même 15 diagramme RX donné à la figure 3. Ce diagramme RX met en évidence la structure avec les trois types de tunnels décrits précédemment. EXEMPLE 2 On procède comme dans l'exemple 1 mais le chauffage de la suspension 20 est conduit à 120°C pendant 12 heures. On obtient les mêmes produits que dans l'exemple 1. EXEMPLE 3 On procède comme dans l'exemple 1 mais en utilisant de l'ascorbate de 25 sodium (3 équivalents) comme réducteur. En outre le chauffage de la suspension est conduit à 220°C pendant 12 heures. On obtient les mêmes produits que dans l'exemple 1. EXEMPLE 4 30 On procède comme dans l'exemple 1 mais en utilisant du glucose (3 équivalents) comme réducteur. On obtient les mêmes produits que dans l'exemple 1. EXEMPLE 5 COMPARATIF 35 On procède comme dans l'exemple 1. Cependant la suspension obtenue après l'ajustement du pH est chauffée directement à 95°C pendant 3 jours sans mûrissement. On obtient après séchage un produit de formule (NH4)0,1W03 de structure hexagonale dont le diagramme de diffraction des rayons X à la longueur d'onde Ka du cuivre est présenté à la figure 4, décrit dans l'art antérieur dont les paramètres de maille sont a = 7,3(1) et c = 3,9(1) et correspondant à une structure présentant les deux types de tunnels (2) et (3) de la figure 1. On constate que l'absence de mûrissement conduit à la présence de NH4 dans le produit obtenu. REVENDICATIONS1- Composé de formule (1) A,Wi_Moy03 dans laquelle A est choisi dans le groupe comprenant les cations Li, Na, NH4, K et H, et il est caractérisé en ce que x et y vérifient les relations 0 x 1 et 0 5 y 5 0,5 et en ce qu'il présente une structure cristalline de type hexagonal et à base d'octaèdres W06, ladite structure présentant des tunnels délimités par 6, 4 et 3 desdits octaèdres et orientés selon l'axe c. 2- Composé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il répond à la formule (1) dans laquelle x vérifie la relation 0 x 5 0,2. 3- Composé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il répond à la formule (1) dans laquelle x vérifie la relation 0,5 5 x 1. 4- Composé selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce qu'il répond à la formule (1) dans laquelle x et/ou y = 0. 5- Composé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il présente une structure cristalline de paramètres de maille a : 10,0(1) A et c : 3,9(1) A et de groupe d'espace P6/mmm. 6- Composé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce 25 qu'il est composé de particules en forme de plaquettes de 50 à 500 nm de diamètre et de 2 à 50 nm d'épaisseur. 7- Procédé de préparation d'un composé selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes suivantes : 30 - (a) on met en présence une solution aqueuse d'un sel de W (VI) et, le cas échéant d'un sel de Mo(VI), avec un agent réducteur; - (b) on ajuste le pH du milieu obtenu à l'issue de l'étape précédente à une valeur d'au plus 7, ce par quoi on obtient une suspension, un cation A étant introduit dans une des étapes (a) ou (b); 35 - (c) on fait subir un mûrissement à la suspension obtenue à l'issue de l'étape (b); - (d) on chauffe le milieu obtenu à l'issue de l'étape (c);- (e) on sépare le solide du milieu issu de l'étape précédente et on le sèche, ce par quoi on obtient un composé AxWi_yMoy03 pour lequel x > 0; - (f) éventuellement on élimine le cation A du composé obtenu à l'issue de l'étape (e), ce par quoi on obtient le composé W1_yMoy03. 8- Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu'on utilise pour l'étape (a) un sel de tungstène et du cation A. 9- Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce que lors de l'étape (b) on on ajuste le pH à une valeur d'au plus 2, plus particulièrement comprise entre 1 et 2. 10- Procédé selon l'une des revendications 7 à 9, caractérisé en ce qu'on effectue le mûrissement de l'étape (c) à une température d'au plus 80°C, plus 15 particulièrement à température ambiante. 11- Procédé selon l'une des revendications 7 à 10, caractérisé en ce qu'on effectue l'étape (d) en chauffant à une température d'au moins 95°C, plus particulièrement d'au moins 120°C. 20 12- Procédé selon l'une des revendications 7 à 11, caractérisé en ce qu'on utilise à l'étape (a) un agent réducteur choisi parmi l'hydrazine, les sucres et les ascorbates. 25 13- Procédé selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que A est NH4 ou H et en ce que l'étape (f) est une étape de chauffage sous air. 14- Procédé selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que A est Li, Na, K, NH4 ou H et en ce que l'étape (f) est une oxydation électrochimique. 30 15- Procédé selon l'une des revendications 7 à 12, caractérisé en ce que A est Li, Na, K, NH4 et en ce que l'étape (f) comprend un échange ionique pour remplacer Li, Na, K ou NH4 par H puis un chauffage sous air ou une oxydation électrochimique du composé issu de l'échange ionique. 35