Nyt todimensionelt materiale kan revolutionere produktionen af ​​solbrændstof

Efter isoleringen af ​​grafen i 2004, et løb begyndte at syntetisere nye todimensionelle materialer. Disse er enkeltlagsstoffer med en tykkelse på mellem et atom og et par nanometer (milliarder af en meter). De har unikke egenskaber knyttet til deres reducerede dimension og spiller en central rolle i udviklingen af ​​nanoteknologi og nanoengineering.

En international forskergruppe, herunder brasilianske forskere tilknyttet University of Campinas (UNICAMP), er det lykkedes at producere et nyt materiale med disse egenskaber.

Forskerne udtrak et 2-D-materiale, de kalder hæmatene, fra almindelig jernmalm. Materialet er kun tre atomer tykt og menes at have forbedrede fotokatalytiske egenskaber. Denne innovation er beskrevet i en artikel offentliggjort i Naturnanoteknologi .

"Det materiale, vi syntetiserede, kan fungere som en fotokatalysator for at opdele vand i hydrogen og ilt, så elektricitet kan dannes fra brint, blandt flere andre potentielle applikationer, "sagde Douglas Soares Galvão, en af ​​forfatterne til undersøgelsen og medforstander ved CCES.

Det nye materiale blev eksfolieret fra hæmatit, et af de mest almindelige mineraler på Jorden og den vigtigste kilde til jern, hvilket er det billigste metal, bruges i mange produkter og frem for alt til fremstilling af stål.

I modsætning til kulstof og dets 2-D-grafen, hæmatit er et ikke-van der Waals materiale, hvilket betyder, at det holdes sammen af ​​3-D-bindingsnetværk frem for ikke-kemiske og forholdsvis svagere atomiske van der Waals-interaktioner, som er ikke -kovalente (de involverer ikke deling af et eller flere par elektroner med de atomer, der deltager i bindingen).

Fordi det er et naturligt forekommende mineral, har meget orienteret, store krystaller og er et ikke-van der Waals-materiale, forskerne mener, at hæmatit er en glimrende forløber for eksfoliering af nye 2-D-materialer.

"De fleste af de 2-D materialer, der er syntetiseret til dato, stammer fra prøver af van der Waals faste stoffer. Non-van der Waals 2-D materialer med stærkt ordnede atomlag og store korn er stadig sjældne, "Sagde Galvão.

Hæmaten blev syntetiseret ved flydende fase-eksfoliering af hæmatitmalm i et organisk opløsningsmiddel, N, N-dimethylformamid (DMF). Transmissionselektronmikroskopi bekræftede eksfoliering og dannelse af hæmatene i enkeltark med en tykkelse på kun tre jern- og oxygenatomer (monolag) og i tilfældigt stablede dobbeltlagsark.

Test og matematiske beregninger blev udført for at studere hæmatens magnetiske egenskaber. Resultaterne viste, at de adskilte sig fra hæmatitets magnetiske egenskaber. Mens indfødt hæmatit er antiferromagnetisk, hæmaten er ferromagnetisk, som en almindelig magnet. I ferromagneter, dipolerne er parallelle og justeret i samme retning. I antiferromagneter, dipolerne er antiparallelle og justeret i modsatte retninger.

"I ferromagneter, atomernes magnetiske øjeblikke peger i samme retning. I antiferromagneter, øjeblikke i tilstødende atomer veksler, "Forklarede Galvão.

Effektiv fotokatalysator

Forskerne analyserede også hæmatens fotokatalytiske egenskaber - dets evne til at øge hastigheden af ​​en kemisk reaktion, når den aktiveres af lys. Resultaterne viste, at hæmatens fotokatalyse er mere effektiv end fotokatalyse ved hæmatit, hvis fotokatalytiske egenskaber er velkendte, men ikke stærke nok til at være nyttige.

For at et materiale skal være en effektiv fotokatalysator, den skal absorbere den synlige del af sollys, generere en elektrisk ladning, og transporter det til overfladen af ​​materialet for at udføre den ønskede reaktion.

Hæmatit absorberer sollys fra det ultraviolette til det gulorange område, men den afgift, den producerer, er meget kortvarig. Som resultat, den falmer, før den når overfladen.

Hæmaten fotokatalyse er mere effektiv, fordi fotoner genererer både negative og positive ladninger inden for få atomer af overfladen, sagde forskerne. Ved at parre det nye materiale med titandioxid -nanorørarrays, som giver en let vej for elektroner til at forlade hæmaten, forskerne fandt ud af, at de kunne tillade mere synligt lys at blive absorberet.

"Hæmaten kan være en effektiv fotokatalysator, især for at opdele vand i brint og ilt, og kunne også tjene som et ultratyndt magnetisk materiale til spintronic-baserede enheder, "sagde FAPESP RIDC -forskeren. Spintronics (eller magnetoelektronik) er en ny teknologi, der bruges til at lagre, vise og behandle oplysninger baseret på ændringer forårsaget af en elektron -spin, som er direkte koblet til dets magnetiske moment.

Gruppen har undersøgt andre ikke-van der Waals materialer for deres potentiale til at give anledning til andre 2-D materialer med eksotiske egenskaber. "Der er en række andre jernoxider og derivater deraf, der er kandidater til at oprette nye 2-D-materialer, "Sagde Galvão.