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Le trioxyde de divanadium est un oxyde de vanadium réduit dans lequel le vanadium est présent principalement à l'état d'oxydation +3.
Le trioxyde de divanadium est un solide inorganique noir à point de fusion élevé, utilisé principalement dans la métallurgie du vanadium, la fabrication d'alliages et la préparation de nitrures, carbures, carbonitrures de vanadium et de matériaux de vanadium de haute pureté.
Le trioxyde de divanadium présente également un intérêt spécialisé dans la recherche sur les électrons corrélés, les couches minces, les matériaux électrochimiques et le développement de catalyseurs redox actifs, car son comportement de phase est très sensible à la stœchiométrie de l'oxygène, à la température, à la pression et au dopage.
IDENTITÉ CHIMIQUE ET NOMS COURANTS
Le trioxyde de divanadium possède la formule stœchiométrique V2O3 et contient deux ions V3+ pour trois ions oxyde.
L'oxyde de vanadium(III) et le sesquioxyde de vanadium sont les noms alternatifs les plus largement utilisés.
Le nom oxyde de vanadium sans état d'oxydation n'est pas suffisamment spécifique, car le vanadium forme également VO, VO2, V2O5 et de nombreuses phases de Magnéli intermédiaires.
La forme minérale naturelle du trioxyde de divanadium est la karelianite.
La karelianite naturelle peut contenir du chrome, du fer ou d'autres substitutions dans le réseau et n'est pas équivalente à un grade synthétique de pureté contrôlée.
Synonymes et Noms Courants : Oxyde de vanadium(III), Trioxyde de vanadium, Sesquioxyde de vanadium, Oxyde vanadeux, Oxyde de vanadium(3+), Oxyde de vanadium(3), Oxyde de vanadium (V2O3), Trioxyde de divanadium, V2O3, O3V2, oxo(oxovanadiooxy)vanadium, oxo[(oxovanadio)oxy]vanadium, Karelianite
IDENTIFICATION TECHNIQUE
Numéro CAS : 1314-34-7
Numéro EC / EINECS : 215-230-9
Formule Moléculaire : V2O3
Masse Molaire : 149,88 g/mol
Teneur Théorique en Vanadium : Environ 67,98 % en masse
État d'Oxydation du Vanadium : +3
Classe Chimique : Oxyde de métal de transition et oxyde basique de vanadium
Nom Systématique : Oxo(oxovanadiooxy)vanadium
Structure Cristalline à Température Ambiante : Type corindon trigonal
Groupe d'Espace à Température Ambiante : R-3c
Structure Cristalline à Basse Température : Monoclinique
Groupe d'Espace à Basse Température : C2/c
InChIKey : KFAFTZQGYMGWLU-UHFFFAOYSA-N
SMILES : O=[V]O[V]=O
PROPRIÉTÉS PHYSIQUES ET CHIMIQUES
État Physique : Solide
Aspect : Poudre cristalline, granulés, morceaux ou matériau compacté de couleur noire à gris foncé
Odeur : Inodore
Point de Fusion : Environ 1940–1970 °C
Densité : Environ 4,87 g/cm³ à 25 °C
Solubilité dans l'Eau : Très faible, environ 0,01 g/100 mL à 20 °C
Comportement dans les Acides : Réagit avec les acides pour former des espèces de vanadium trivalent
Pression de Vapeur : Négligeable à température ambiante
Point d'Éclair : Non applicable au solide inorganique
État Électronique à Température Ambiante : Conducteur métallique corrélé pour un matériau cristallin proche de la stœchiométrie
Transition Métal–Isolant : Environ 150–160 K pour un matériau massif proche de la stœchiométrie
Transition Magnétique : Paramagnétique à antiferromagnétique près de la transition métal–isolant
Stabilité à l'Air : S'oxyde lentement à température ambiante et rapidement lorsqu'il est chauffé à l'air
Le point de fusion élevé et le réseau V–O robuste rendent le trioxyde de divanadium adapté aux procédés métallurgiques et céramiques à haute température.
La faible solubilité dans l'eau empêche une dissolution aqueuse simple, mais les acides peuvent convertir le trioxyde de divanadium en sels de V(III) solubles et en espèces de coordination.
Les solutions contenant du V(III) sont facilement oxydées par l'air, de sorte qu'une atmosphère contrôlée et des conditions redox appropriées sont nécessaires lorsque l'état trivalent doit être préservé.
Le trioxyde de divanadium finement divisé peut subir une oxydation exothermique lorsqu'il est chauffé à l'air.
L'oxydation initiale peut former du VO2 et des phases de Magnéli à valence mixte avant une conversion ultérieure vers V2O5 dans des conditions suffisamment oxydantes.
L'oxyde est donc chimiquement distinct du pentaoxyde de divanadium et ne peut pas être substitué à masse égale sans tenir compte de l'état d'oxydation et de la teneur en vanadium.
STRUCTURE ET CARACTÉRISTIQUES ÉLECTRONIQUES
À température ambiante, le trioxyde de divanadium adopte normalement la structure corindon, les ions V3+ occupant des sites octaédriques dans un réseau d'oxygène.
L'ion V3+ possède une configuration électronique 3d2, et les fortes interactions électron–électron confèrent au trioxyde de divanadium un comportement qui ne peut pas être décrit comme celui d'un métal de bande ordinaire.
Vers 150–160 K, le trioxyde de divanadium massif proche de la stœchiométrie subit une transition du premier ordre d'une phase corindon métallique paramagnétique vers une phase monoclinique isolante antiferromagnétique.
La transition peut modifier la résistance électrique de plusieurs ordres de grandeur et s'accompagne de changements structuraux et magnétiques.
La non-stœchiométrie en oxygène, les lacunes de vanadium, la substitution par le chrome ou le titane, la pression, la contrainte, la taille des grains et l'épaisseur du film peuvent déplacer, élargir ou supprimer la transition.
Les applications électroniques nécessitant une pureté de phase exigent donc un contrôle plus strict que les utilisations métallurgiques ordinaires.
Le comportement métal–isolant fait du trioxyde de divanadium un matériau modèle pour la transition de Mott.
Des recherches spécialisées étudient le trioxyde de divanadium dans les commutateurs cryogéniques, les dispositifs à transition résistive, les éléments neuromorphiques, les couches sensibles à la température et les couches minces à électrons corrélés.
Ces applications utilisent des films élaborés ou des compositions dopées plutôt qu'une poudre métallurgique non traitée.
PRODUCTION ET FORME COMMERCIALE
Le trioxyde de divanadium est produit par réduction d'oxydes de vanadium supérieurs ou d'intermédiaires vanadates sous atmosphère réductrice contrôlée.
Le pentoxyde de vanadium peut être réduit par l'hydrogène ou le monoxyde de carbone à travers une succession d'oxydes intermédiaires jusqu'à l'obtention de la phase V2O3.
Le métavanadate d'ammonium ou le polyvanadate d'ammonium peuvent également être décomposés thermiquement et réduits dans des atmosphères contenant de l'ammoniac ou de l'hydrogène.
V2O5 + 2 H2 → V2O3 + 2 H2O
La température de réduction, la composition du gaz, l'élimination de la vapeur d'eau, le temps de séjour et la pression partielle d'oxygène déterminent l'assemblage final des phases.
Une réduction insuffisante laisse du VO2 ou des oxydes à valence mixte, tandis qu'une réduction carbonée excessive peut introduire du carbone, des phases carbure ou des oxydes de vanadium inférieurs.
Le refroidissement sous gaz inerte ou réducteur limite la réoxydation du produit chaud.
Le trioxyde de divanadium récupéré est concassé, broyé, classifié ou compacté afin d'obtenir la distribution granulométrique et la forme physique requises.
Le matériau métallurgique peut être fourni sous forme de poudre, de granulés ou de charge briquetée, tandis que le matériau de haute pureté est généralement fourni sous forme de poudre fine, de morceaux, de cibles pressées ou de nanopoudre spécialisée.
Les niveaux de pureté commerciale vont des compositions métallurgiques industrielles aux grades à 99,7 %, 99,9 % et 99,99 % avec contrôle des métaux traces pour les matériaux avancés et la recherche.
APPLICATIONS ET INDUSTRIES
Métallurgie du ferrovanadium et des alliages d'acier
Le trioxyde de divanadium sert de matière première de vanadium réduit pour la fabrication de ferrovanadium par procédés aluminothermiques, silicothermiques ou en four électrique.
Le fait de partir du V(III) plutôt que du V(V) réduit la charge en oxygène et modifie la demande en réducteur ainsi que le bilan thermique de la réaction métallurgique.
Le vanadium total, la phase d'oxyde, le carbone, le soufre, le phosphore, le silicium, le fer, les métaux alcalins, la taille des particules et la densité apparente influencent les performances du four et la récupération de l'alliage.
Alliages mères vanadium–aluminium
Le trioxyde de divanadium est utilisé comme charge d'oxyde dans les voies aluminothermiques menant aux alliages mères vanadium–aluminium et au vanadium thermitique.
Le mélange du trioxyde de divanadium avec des oxydes de vanadium supérieurs peut modérer la chaleur intense générée pendant la réduction aluminothermique.
Les alliages mères obtenus sont ensuite transformés pour les alliages de titane contenant du vanadium et d'autres systèmes métallurgiques spécialisés.
Fabrication de nitrure, carbure et carbonitrure de vanadium
Le trioxyde de divanadium est une matière première bien établie pour la production de nitrure de vanadium par réduction carbothermique et nitruration.
Le trioxyde de divanadium est mélangé à une source de carbone, compacté si nécessaire et chauffé sous un gaz contenant de l'azote afin de former du nitrure de vanadium ou du carbonitrure de vanadium.
La teneur en oxygène, le rapport carbone, le potentiel d'azote, le profil de température et la teneur résiduelle en alcalins affectent l'absorption de l'azote et la composition de phase de l'additif d'alliage final.
Le trioxyde de divanadium sert également de précurseur pour le carbure de vanadium et les matériaux carbonitrures mixtes.
Ces phases dures sont utilisées dans la métallurgie des poudres, les alliages spéciaux, les matériaux résistants à l'usure et la recherche sur les systèmes céramiques à haute température.
La pureté de phase et l'équilibre en carbone sont particulièrement importants, car l'oxyde résiduel réduit la teneur effective en vanadium du produit final.
Vanadium de haute pureté et chimie des précurseurs
Le trioxyde de divanadium peut être réduit davantage dans des voies spécialisées destinées au vanadium métallique de haute pureté et aux alliages mères contenant du vanadium.
Le trioxyde de divanadium fournit également une source de V(III) pour préparer des chlorures de vanadium, des nitrures et d'autres composés réduits du vanadium.
De faibles teneurs en sodium, potassium, fer, silicium, aluminium, soufre et carbone sont importantes lorsque la purification en aval est difficile.
Céramiques avancées et films déposés
Le trioxyde de divanadium est utilisé dans la recherche céramique sous atmosphère contrôlée, la synthèse d'oxydes mixtes et les études de phases d'oxydes de vanadium.
Des cibles de trioxyde de divanadium peuvent être utilisées en dépôt physique en phase vapeur pour préparer des films à base de V2O3 sous une pression partielle d'oxygène étroitement régulée.
La densité de la cible, la pureté de phase, la porosité, les métaux traces et la stœchiométrie de l'oxygène influencent la stabilité du dépôt et les performances du film.
Applications comme catalyseur et précurseur de catalyseur
Le trioxyde de divanadium fournit une surface de vanadium réduit pour des recherches spécialisées en catalyse hétérogène et sert de précurseur aux catalyseurs en nitrure de vanadium.
Le nitrure de vanadium dérivé du trioxyde de divanadium est étudié pour l'hydrodéazotation, l'hydrodésoxygénation et les procédés catalytiques apparentés.
Comme l'état d'oxydation de la surface peut changer pendant l'activation et la réaction, la sélection catalytique dépend de la phase de travail réelle plutôt que de la seule formule nominale de départ.
Recherche électronique et sur les oxydes corrélés
Le trioxyde de divanadium de haute pureté est utilisé pour étudier la physique de Mott, l'antiferromagnétisme, les changements de phase induits par la pression et la commutation de résistance déclenchée électriquement.
Les monocristaux, les films épitaxiés et les compositions soigneusement dopées présentent un comportement de transition beaucoup plus reproductible que les poudres à usage général.
La stœchiométrie de l'oxygène et la contrainte du réseau sont critiques, car de faibles écarts peuvent modifier considérablement la conductivité et la température de transition.
Recherche sur le stockage électrochimique de l'énergie
Le trioxyde de divanadium nanostructuré et les composites carbone–trioxyde de divanadium sont étudiés comme matériaux d'électrode pour les batteries lithium-ion, sodium-ion, potassium-ion et zinc-ion aqueuses.
Les états d'oxydation accessibles du vanadium peuvent permettre des mécanismes de stockage de charge par conversion, intercalation et pseudocapacité.
L'architecture des particules, la concentration en lacunes, la surface spécifique, le contact avec le carbone, la compatibilité avec l'électrolyte et la conversion de phase induite par le cyclage déterminent les performances électrochimiques.
L'utilisation dans les batteries reste une application de matériaux avancés plutôt qu'un usage direct du trioxyde de divanadium métallurgique ordinaire.
Le développement de grades pour électrodes nécessite une morphologie particulaire élaborée, des défauts contrôlés, des additifs conducteurs et une qualification électrochimique spécifique à l'application.
Recherche en laboratoire et sur les matériaux
Le trioxyde de divanadium est utilisé dans la synthèse à l'état solide, les études d'équilibre des phases, la chimie redox, la spectroscopie et la préparation d'autres composés de V(III).
Les grades de recherche servent aux étalons de diffraction des rayons X, à l'analyse thermique, aux mesures électriques et aux recherches sur les oxydes de vanadium à valence mixte.
Le matériau de haute pureté réduit les interférences provenant du fer, du chrome, des métaux alcalins et des oxydes supérieurs indésirables.
SÉLECTION DU GRADE ET ADÉQUATION DU PRODUIT
Le trioxyde de divanadium de grade métallurgique est sélectionné principalement selon la teneur totale en vanadium, la teneur effective en V2O3, les oxydes supérieurs résiduels, le carbone, le soufre, le phosphore, le silicium, le fer, l'humidité et la forme physique.
Les granulés ou les formes compactées réduisent la poussière et peuvent assurer une alimentation plus régulière du four que les poudres très fines.
La densité apparente et la distribution granulométrique influencent le transport, le mélange, la vitesse de réaction et les pertes par entraînement.
Le trioxyde de divanadium de haute pureté est sélectionné pour les matériaux électroniques, les céramiques avancées, les catalyseurs et la synthèse chimique.
Les grades à métaux traces nécessitent des données individuelles sur les impuretés plutôt qu'un dosage total seul, car le chrome, le titane, le fer et l'aluminium peuvent modifier le comportement électronique ou magnétique.
L'analyse de pureté de phase doit distinguer V2O3 de VO2, V2O5, V3O5, V4O7 et des autres phases d'oxydes adjacentes.
Les nanopoudres et les grades à haute surface spécifique sont sélectionnés selon la taille des particules primaires, la distribution des agglomérats, la surface spécifique, la morphologie et l'état d'oxydation de surface.
Leur réactivité de surface plus élevée accroît leur sensibilité à l'oxydation à l'air et aux environnements de procédé contenant de l'humidité.
Les grades de cibles denses nécessitent une porosité contrôlée, une intégrité mécanique, une homogénéité de composition et des dimensions adaptées au système de dépôt.
CONSIDÉRATIONS DE FORMULATION ET DE PROCÉDÉ
Le trioxyde de divanadium est normalement traité sous forme de poudre sèche, de solide compacté, de mélange céramique ou de particules dispersées plutôt que sous forme de solution aqueuse concentrée.
Le mélange à sec doit contrôler la ségrégation entre le trioxyde de divanadium et les réducteurs, sources de carbone, liants ou autres oxydes présentant des tailles de particules et des densités différentes.
Le transfert en système fermé et l'extraction des poussières protègent à la fois les travailleurs et la composition du produit.
Le broyage augmente la vitesse de réaction et améliore le mélange, mais accroît également l'oxydation de surface et le potentiel de poussières en suspension.
Le broyage de haute pureté utilise des équipements résistants à l'usure sélectionnés pour limiter la contamination par le fer, le chrome, le tungstène ou les matériaux céramiques.
Le broyage sous gaz inerte et le transfert fermé sont utiles lorsqu'une teneur précise en V(III) doit être maintenue.
Le frittage, la nitruration et le traitement carbothermique nécessitent un potentiel d'oxygène contrôlé.
L'entrée d'air peut convertir le trioxyde de divanadium en oxydes supérieurs, tandis que des conditions excessivement réductrices peuvent former des oxydes inférieurs indésirables, du carbure ou un excès de carbone libre.
Le développement du procédé relie donc l'atmosphère du four, la température, le temps de séjour et les conditions de refroidissement à l'analyse des phases par diffraction des rayons X du matériau final.
La digestion acide produit des solutions contenant du V(III), mais génère de la chaleur et peut libérer de fines particules lors du chargement.
L'exclusion de l'air aide à préserver l'état d'oxydation trivalent après dissolution.
Pour le dépôt de couches minces, le débit d'oxygène et les conditions du substrat sont contrôlés dans une plage étroite afin d'éviter la formation de VO2, V2O5 ou de phases à valence mixte.
QUALITÉ, SPÉCIFICATIONS ET DOCUMENTATION
La diffraction des rayons X est la méthode principale pour confirmer la phase corindon V2O3 et détecter les oxydes de vanadium cristallins supérieurs ou intermédiaires.
La spectroscopie photoélectronique à rayons X, l'oxydation thermogravimétrique et le titrage redox fournissent des informations sur l'état d'oxydation de surface et la stœchiométrie globale de l'oxygène.
L'analyse élémentaire détermine le vanadium total et les métaux traces, tandis que le carbone, l'azote, le soufre et l'oxygène nécessitent des méthodes spécifiques.
La distribution granulométrique, la densité apparente, la surface spécifique, l'humidité et la morphologie complètent l'évaluation physique.
La qualification du grade électronique peut également inclure la résistivité en fonction de la température, la température de transition, la largeur de transition et le comportement magnétique.
La qualification du grade cible comprend la densité, la porosité, les dimensions, la planéité et l'intégrité mécanique.
Un Certificat d'Analyse enregistre le dosage du lot, les résultats liés aux phases et les impuretés contrôlées.
Une Fiche de Données de Sécurité communique les dangers, les contrôles d'exposition, la classification de transport et les mesures d'urgence, tandis qu'une Fiche Technique décrit la forme physique et les paramètres de sélection.
Les projets de matériaux avancés peuvent également nécessiter un diagramme de diffraction des rayons X, un profil des métaux traces, un rapport granulométrique, un résultat de surface spécifique et des données de stœchiométrie de l'oxygène.
CONSIDÉRATIONS DE SÉCURITÉ ET D'ENVIRONNEMENT
La classification courante de la poudre de trioxyde de divanadium de haute pureté comprend H319, provoque une sévère irritation des yeux, et H332, nocif par inhalation.
Les poussières de trioxyde de divanadium en suspension dans l'air peuvent irriter les yeux, la peau, le nez, la gorge et les voies respiratoires.
Une exposition répétée aux poussières d'oxydes de vanadium peut contribuer à une rhinite chronique, une bronchite et d'autres effets respiratoires.
La manipulation en système fermé, la ventilation par aspiration locale et la collecte filtrée des poussières sont les moyens de contrôle privilégiés.
Les travailleurs manipulant de la poudre ouverte doivent porter des gants résistants aux produits chimiques, des vêtements de protection, une protection oculaire étanche et une protection respiratoire appropriée contre les particules.
Les grades fins et nanométriques nécessitent un confinement renforcé, car ils se dispersent plus facilement et offrent une plus grande surface réactive.
Le trioxyde de divanadium peut s'oxyder de manière exothermique et peut s'enflammer lorsqu'il est fortement chauffé à l'air.
Le matériau chaud et les conditions d'incendie peuvent générer des fumées dangereuses contenant des oxydes de vanadium à des états d'oxydation supérieurs.
Les agents fortement oxydants, le chlore et l'exposition incontrôlée à l'air à haute température sont incompatibles avec le trioxyde de divanadium.
Le vanadium est un élément et ne se biodégrade pas, bien que son état d'oxydation, sa solubilité et sa mobilité environnementale puissent changer.
Le V(III) est relativement insoluble dans des conditions réductrices, tandis que l'oxydation peut produire des espèces vanadates V(V) plus mobiles dans une eau oxygénée neutre ou alcaline.
Les poussières de trioxyde de divanadium, les eaux usées de procédé, les boues et les résidus de nettoyage doivent donc être confinés et empêchés de pénétrer dans le sol, les égouts et les eaux de surface.
PREMIERS SECOURS
Inhalation : Transporter la personne exposée à l'air frais, la maintenir au repos et consulter un médecin en cas de toux, de respiration sifflante, de gêne thoracique ou de difficultés respiratoires.
Contact avec la Peau : Retirer les vêtements contaminés et laver soigneusement la peau affectée à l'eau et au savon.
Contact avec les Yeux : Rincer prudemment à l'eau propre pendant au moins 15 minutes, retirer les lentilles de contact si cela est facile à faire et consulter un médecin si l'irritation persiste.
Ingestion : Rincer la bouche, ne pas faire vomir et demander rapidement un avis médical.
Note aux Médecins : Le traitement est symptomatique et de soutien, avec une attention particulière à l'irritation respiratoire retardée après une exposition importante aux poussières ou aux fumées.
MANIPULATION ET STOCKAGE
Manipuler le trioxyde de divanadium dans des équipements fermés ou sous une ventilation locale efficace et empêcher la formation de poussières en suspension.
Maintenir les sources d'inflammation et la chaleur incontrôlée à l'écart du matériau finement divisé.
Éviter le contact avec la peau et les yeux et se laver soigneusement après manipulation.
Stocker le trioxyde de divanadium dans des récipients hermétiquement fermés et résistants à l'humidité, dans un endroit frais, sec et bien ventilé.
Conserver le trioxyde de divanadium à l'écart des agents fortement oxydants, du chlore, des acides et des matériaux réactifs incompatibles.
Les grades de haute pureté, nanopoudres et électroniques bénéficient d'un emballage sous vide ou sous gaz inerte limitant l'oxydation de surface.
Recueillir les déversements avec un aspirateur industriel filtré ou par une collecte humide soigneuse sans disperser les poussières.
Ne pas utiliser de balayage à sec non contrôlé ni d'air comprimé pour le nettoyage.
Placer la poudre récupérée et les matériaux de nettoyage contaminés dans des récipients fermés et étiquetés destinés à une gestion autorisée des déchets.
CONSIDÉRATIONS D'EMBALLAGE ET D'APPROVISIONNEMENT
La poudre de trioxyde de divanadium est conditionnée dans des flacons fermés, des seaux doublés, des fûts ou des sacs résistants à l'humidité placés dans un emballage extérieur rigide.
Les quantités métallurgiques peuvent utiliser des fûts ou des grands sacs avec doublure, tandis que les grades de haute pureté et nanométriques utilisent des récipients barrières plus petits à atmosphère interne contrôlée.
Les morceaux, granulés et charges compactées réduisent la production de poussières pendant le transport et le chargement des fours.
Une demande d'approvisionnement doit identifier l'application prévue en métallurgie, nitrure, carbure, catalyse, batterie, céramique, dépôt ou recherche.
Les paramètres d'achat importants comprennent le dosage de V2O3, le vanadium total, l'état d'oxydation ou la pureté de phase, les teneurs maximales en V2O5 et VO2, les métaux traces, le carbone, le soufre, l'azote, l'humidité, la taille des particules, la densité apparente et l'emballage.
Les projets électroniques et de couches minces doivent en outre préciser les exigences relatives aux propriétés de transition, à la densité de la cible ou à la stœchiométrie de l'oxygène.
Ataman Kimya accompagne l'approvisionnement professionnel en trioxyde de divanadium en accordant une attention particulière à la teneur en vanadium, à la pureté de phase, à la stœchiométrie de l'oxygène, aux limites de métaux traces, à la taille des particules, à la forme physique, à la documentation et à l'emballage.
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