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Vanadate de bismuth

Le vanadate de bismuth est un composé chimique de formule BiVO4. Il se présente sous la forme d'un solide de couleur jaune tirant sur le vert, connu à ce titre comme pigment minéral Colour Index Pigment Yellow 184[4], ou jaune de bismuth ; il est utilisé à la place d'autre pigments minéraux tels que le chromate de plomb PbCrO4 et le sulfure de cadmium CdS, qui sont toxiques. Il est largement employé comme photocatalyseur dans le spectre visible avec une largeur de bande interdite inférieure à 2,4 eV[5]. Les substances disponibles dans le commerce contiennent souvent également du molybdène et du tungstène substitué au vanadium dans leur structure cristalline. On le trouve naturellement dans quelques minéraux rares tels que la pucherite, la clinobisvanite (ca) et la dreyerite (ca).

Vanadate de bismuth
Ions constitutifs du vanadate de bismuth
Identification
No CAS 14059-33-7
No ECHA 100.034.439
No CE 237-898-0
PubChem 20243764
Apparence solide[1]
Propriétés chimiques
Formule BiO4VBiVO4
Masse molaire[2] 323,919 5 ± 0,001 3 g/mol
Bi 64,52 %, O 19,76 %, V 15,73 %,
Propriétés physiques
T° fusion 958 °C[1]
Solubilité < 1 μg·L-1[1] à 20 °C
Masse volumique 6,25 g·cm-3[1] à 25 °C
Précautions
SGH[1]
SGH08 : Sensibilisant, mutagène, cancérogène, reprotoxique
Attention
H373
NFPA 704[3]

Symbole NFPA 704.
Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Il cristallise naturellement dans le système orthorhombique (pucherite) avec le groupe d'espace Pnca (no 60) et les paramètres a = 533 pm, b = 505 pm et c = 1 200 pm[6], tandis qu'on l'obtient sous forme synthétique dans le système monoclinique avec le groupe d'espace I2/a (no 15)[7]. La stabilité de ce dernier est améliorée par une modification tétragonale pure du groupe d'espace I41/a (no 88) à structure scheelite obtenue en présence d'ions de molybdène ou de tungstène, éventuellement en combinaison avec des ions de métaux alcalino terreux. Le vanadate de bismuth produit en présence de molybdate de sodium Na2MoO4 présente ainsi une structure tétragonale avec les paramètres a = 514,7 pm et c = 1 172,2 pm[8].

La plupart des pigments de vanadate de bismuth commerciaux utilisent le polymorphe monoclinique (clinobisvanite) ou tétragonal (dreyerite) pur, bien que des systèmes à deux phases ayant un rapport 4:3 entre le vanadate de bismuth et le molybdate de bismuth Bi2MoO6 aient été utilisés par le passé[9]. Le BiVO4 monoclinique est un semiconducteur photoactif de type n ayant une largeur de bande interdite de 2,4 eV qui a été étudié pour des applications de craquage de l'eau après dopage au tungstène et au molybdène[9]. Des photo-anodes en vanadate de bismuth ont montré une très bonne efficacité de conversion énergétique du solaire vers l'hydrogène, atteignant 5,2 % pour les couches minces[10] - [11] et 8,2 % pour les nanotiges cœur/coquille (en) WO3/BiVO4[12] - [13] - [14], le tout avec des matériaux plutôt simples et bon marché.

On peut obtenir du vanadate de bismuth en faisant réagir de l'oxyde de bismuth(III) Bi2O3 avec de l'oxyde de vanadium(V) V2O5 à l'état solide :

Bi2O3 + V2O5 ⟶ 2 BiVO4.

Il peut également être obtenu comme précipité à partir d'une solution de nitrate de bismuth(III) Bi(NO3)3 et de métavanadate de sodium (en) NaVO3 en présence d'hydroxyde de sodium NaOH :

Bi(NO3)3 + NaVO3 (en) + 2 NaOH ⟶ BiVO4↓ + 3 NaNO3 + H2O.

La nuance de couleur du pigment dépend fortement de la température, du pH et de la concentration au cours la précipitation. Dans le cas des produits fabriqués industriellement, un post-traitement est souvent appliqué pour accroître la résistance aux alcalis ou aux intempéries[15].

Notes et références
  1. Entrée « Bismuth vanadate » dans la base de données de produits chimiques GESTIS de la IFA (organisme allemand responsable de la sécurité et de la santé au travail) (allemand, anglais), accès le 12 mai 2021 (JavaScript nécessaire)
  2. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  3. « Fiche du composé Bismuth vanadium oxide, 99.9% (metals basis) », sur Alfa Aesar (consulté le ).
  4. (en) B. Gunter, « Inorganic Colored Pigments », Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH, Weinheim, 2012.
  5. (en) Savio J. A. Moniz, Stephen A. Shevlin, David James Martin, Zheng-Xiao Guo et Junwang Tang, « Visible-light driven heterojunction photocatalysts for water splitting – a critical review », Energy & Environmental Science, vol. 8, no 3,‎ , p. 731-759 (DOI 10.1039/c4ee03271c, lire en ligne)
  6. (de) J. Granzin et D. Pohl, Zeitschrift für Kristallographie, no 169, 1984, p. 289-294.
  7. (en) W. I. F. David et A.M. Glazer, Phase Transitions, vol. 1, 1979, p. 155–170.
  8. (en) Henning Wienand et Werner Ostertag, The Bulletin of the Bismuth Institute, no 53, p. 1-4, 1988.
  9. (en) G. Kaur, O. P. Pandey et K. Singh, « Optical, structural, and mechanical properties of different valence‐cation‐doped bismuth vanadate oxides », physica status solidi (a), vol. 209, no 7,‎ , p. 1231-1238 (DOI 10.1002/pssa.201127636, Bibcode 2012PSSAR.209.1231K, lire en ligne)
  10. (en) Lihao Han, Fatwa F. Abdi, Roel van de Krol, Rui Liu, Zhuangqun Huang, Hans‐Joachim Lewerenz, Bernard Dam, Miro Zeman et Arno H. M. Smets, « Efficient Water‐Splitting Device Based on a Bismuth Vanadate Photoanode and Thin‐Film Silicon Solar Cells », ChemSusChem, vol. 7, no 10,‎ , p. 2832-2838 (PMID 25138735, DOI 10.1002/cssc.201402456, lire en ligne)
  11. (en) Fatwa F. Abdi, Lihao Han, Arno H. M. Smets, Miro Zeman, Bernard Dam et Roel van de Krol, « Efficient solar water splitting by enhanced charge separation in a bismuth vanadate-silicon tandem photoelectrode », Nature Communications, vol. 4,‎ , article no 2195 (PMID 23893238, DOI 10.1038/ncomms3195, Bibcode 2013NatCo...4.2195A, lire en ligne)
  12. (en) Yuriy Pihosh, Ivan Turkevych, Kazuma Mawatari, Jin Uemura, Yutaka Kazoe, Sonya Kosar, Kikuo Makita, Takeyoshi Sugaya, Takuya Matsui, Daisuke Fujita, Masahiro Tosa, Michio Kondo et Takehiko Kitamori, « Photocatalytic generation of hydrogen by core-shell WO3/BiVO4 nanorods with ultimate water splitting efficiency », Nature Scientific Reports, vol. 5,‎ , article no 11141 (PMID 26053164, PMCID 4459147, DOI 10.1038/srep11141, lire en ligne)
  13. (en) Sonya Kosar, Yuriy Pihosh, Ivan Turkevych, Kazuma Mawatari, Jin Uemura, Yutaka Kazoe, Kikuo Makita, Takeyoshi Sugaya, Takuya Matsui, Daisuke Fujita, Masahiro Tosa, Yaroslav M. Struk, Michio Kondo et Takehiko Kitamori, « Tandem photovoltaic–photoelectrochemical GaAs/InGaAsP–WO3/BiVO4 device for solar hydrogen generation », Japanese Journal of Applied Physics, vol. 55, no 4S,‎ , article no 04ES01 (DOI 10.7567/JJAP.55.04ES01, lire en ligne)
  14. (en) Sonya Kosar, Yuriy Pihosh, Raman Bekarevich, Kazutaka Mitsuishi, Kazuma Mawatari, Yutaka Kazoe, Takehiko Kitamori, Masahiro Tosa, Alexey B. Tarasov, Eugene A. Goodilin, Yaroslav M. Struk, Michio Kondo et Ivan Turkevych, « Highly efficient photocatalytic conversion of solar energy to hydrogen by WO3/BiVO4 core–shell heterojunction nanorods », Applied Nanoscience, vol. 9, no 5,‎ , p. 1017-1024 (DOI 10.1007/s13204-018-0759-z, lire en ligne)
  15. (en) Gunter Buxbaum et Gerhard Pfaff, Industrial Inorganic Pigments, 3e éd., Wiley‐VCH, 2005. DOI 10.1002/3527603735. (ISBN 978-3527603732)
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