Disulfure de vanadium

Les propriétés du disulfure de vanadium sont étroitement liées à sa structure en feuillets 2D. La combinaison de la coordination octaédrique du vanadium et de l’empilement lamellaire des feuillets S–V–S confère au matériau des propriétés électroniques remarquables^{[3],[1],[4],[23],[27]}, notamment une bonne conductivité électrique, une grande surface spécifique et une capacité à accueillir des ions entre ses feuillets^[1]. Le magnétisme des monocouches de VS₂ est étroitement lié à leur structure électronique. Les monocouches de VS₂ présentent un comportement ferromagnétique en conditions standard, dû aux interactions électroniques entre les atomes du soufre et du vanadium^[28]. De plus, ce matériau possède une certaine élasticité et robustesse mécanique, importantes pour des applications industrielles^[27].

Des recherches ont montré que le vanadium dans les monocouches est capable d’accumuler des électrons lui permettant d'effectuer des réactions rédox^[3],[29]. La structure des feuillets sert de support et catalyseur dans certaines réactions, comme l'électrolyse de l’eau^[3],[27].

La sensibilité au pH a également été observée, se manifestant par une variation des propriétés électroniques du VS₂ en fonction de l’acidité du milieu. Cette caractéristique est utilisée notamment dans les détecteurs électrochimiques et biologiques^[29].

Les propriétés physico-chimiques uniques de ces matériaux se montrent utiles pour de nombreuses applications technologiques. Parmi celles-ci, le domaine des batteries et du stockage électrochimique de l’énergie occupe aujourd’hui une place majeure. Grâce à sa structure lamellaire, constituée de feuillets faiblement liés par des interactions Van der Waals, le VS₂ permet l’insertion et la désinsertion réversibles d’ions tels que Li⁺ ou Na⁺^[1],[2].

La capacité d’intercalation, associée à une bonne conductivité électrique, en fait un matériau prometteur pour la conception des batteries Lithium-soufre et Sodium-ion. De plus, sa surface spécifique importante et la structure favorisant le transport ionique permettent l’utilisation dans des supercondensateurs modernes^[30],[27].

L'utilisation de VS₂ déficitaire en soufre dans la cathode a permis d’obtenir des performances électroniques accrues pour les batteries Li-S expérimentales. Les cathodes contenant ce matériau ont démontré une capacité réversible élevée (1471 mAh/G)^[1], une bonne stabilité sur de nombreux cycle (taux de dégradation de seulement 0.064% par cycle après 400 cycles) et des capacités surfaciques satisfaisantes (4.22 mAh/cm²)^[1], même avec des charges en soufre élevées (5.6 mg/cm²)^[1]. Ces résultats suggèrent que le VS₂, et en particulier ses formes déficientes en soufre, constitue un candidat intéressant pour le développement de cathodes hautes performances dans les batteries lithium-soufre.

Bien que ce ne soit pas de la catalyse chimique au sens strict, on parle d’effet catalytique dans les batteries Li-S. Le VS₂, utilisé comme matériau de cathode ou comme additif dans le séparateur, agit comme un catalyseur pour accélérer la conversion des polysulfures en produits finaux (Li₂S). Cela améliore la vitesse de réaction, la capacité électrique et la durée de vie de la batterie^[2],[25]. Le caractère redox du VS₂ est aussi utilisé pour synthétiser de l'hydrogène H₂ à partir de l’eau, où les monocouches de VS₂ servent de catalyseur de la réaction et facilitent le transport d'électrons^[3],[20].

Dans ce contexte de catalyseur, le VS₂ a une capacité d'adsorption des polysulfures qui permet de limiter l’effet navette qui dégrade les performances de la batterie. Pour améliorer l’efficacité, des lacunes de soufre (noté VS₂-x) peuvent être introduites. Ces défauts structuraux facilitent la diffusion des ions lithium au sein du matériau. Dans les conditions de fonctionnement d’une batterie Li-S, le VS₂ subit un processus de lithiation pour former un intermédiaire LixVS₂-x. Cette phase intermédiaire s’est avérée jouer un rôle catalytique clé en favorisant la dissociation rapide des polysulfures à longue chaîne (comme S62-) en espèces plus réactives, accélérant ainsi leur conversion finale en produits de décharge.

Le VS₂ sous forme de nanoparticules a fait l’objet d’études pour ses applications en détection électrochimique non-enzymatique^[24],[29]. Un capteur électrochimique expérimental à base de nanoparticules sphériques cristallines de VS₂, d’un diamètre moyen d’environ 8 à 9 nanomètres absorbées sur du carbone, a été développé récemment. Grâce à leur grande surface spécifique (environ 17,89 m²/g) et aux propriétés redox du vanadium, ces nanoparticules ont été utilisées pour modifier une électrode de carbone vitreux. Ce nouveau capteur a montré une excellente efficacité pour la détection du peroxyde d’hydrogène (H₂O₂) et du glucose. Le mécanisme de détection repose sur l’oxydation du V4+ en V5+ par l’analyte, suivi d’une réduction électrochimique générant un courant proportionnel à la concentration^[29].

Le capteur ainsi conçu présente d’excellentes performances : une large plage de linéarité (0.5 à 2.5 μm pour H₂O₂, et jusqu’à 3 mm pour le glucose)^[29], une limite de détection très basse (0.224 μM pour H₂O₂ et 0.211 μM pour le glucose)^[29], une sensibilité élevée, un temps de réponse rapide, ainsi qu’une bonne sélectivité face aux interférents biologiques courants comme l’acide urique ou l’acide ascorbique. De plus, le capteur a été testé sur des échantillons réels (urine humaine, teinture capillaire et sérum sanguin ) avec une excellente corrélation par rapport aux méthodes de référence. Il démontre également une reproductibilité satisfaisante et une très bonne stabilité conservant 92% de son activité après 30 jours. Ces résultats font des nanoparticules de VS₂ un candidat prometteur pour le développement de capteurs électrochimiques sensibles, stables, peu coûteux et adaptés à des applications biomédicales et analytiques^[29].

Le VS₄ est également étudié comme matériau de cathode pour les batteries lithium rechargeables, en raison de sa forte capacité électrique et de sa capacité à limiter la dissolution des polysulfures de lithium dans les cathodes à base de soufre^[31]. Le VS₄ peut aussi être utilisé comme anode dans les batteries sodium-ion, en raison sa structure en chaînes linéaires 1D qui offre des sites de stockage du Na+. Cette structure cristalline linéaire particulière en fait par ailleurs le matériau le plus prometteur parmi les cathodes étudiées pour les batteries magnésium rechargeables^[32].

Enfin, dans le domaine des supercondensateurs, VS₄ fournit de nombreux sites redox actifs contribuant à un comportement pseudo capacitif, et des composites VS₄/graphène ont démontré une capacité spécifique élevée, une bonne stabilité cyclique et d'excellentes performances en terme de densité énergétique^{[31],[32],[33]}.

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