In de nasleep van de recente ontdekking van een platte vorm van gallium, een internationaal team onder leiding van wetenschappers van de Rice University heeft nog een tweedimensionaal materiaal gemaakt waarvan de onderzoekers zeiden dat het een gamechanger zou kunnen zijn voor de opwekking van zonnebrandstof. Rijstmateriaalwetenschapper Pulickel Ajayan en collega's haalden 3-atoom dik hemateen uit gewoon ijzererts. Het onderzoek werd vandaag in een paper geïntroduceerd in Natuur Nanotechnologie .

Hemateen kan een efficiënte fotokatalysator zijn, vooral voor het splitsen van water in waterstof en zuurstof, en zou ook kunnen dienen als een ultradun magnetisch materiaal voor op spintronica gebaseerde apparaten, aldus de onderzoekers.

"2D-magnetisme wordt een zeer opwindend veld met recente vorderingen bij het synthetiseren van dergelijke materialen, maar de synthesetechnieken zijn complex en de stabiliteit van de materialen is beperkt, ' zei Ajayan. 'Hier, we hebben een eenvoudige, schaalbare methode, en de hemateenstructuur moet milieustabiel zijn."

Ajayan's lab werkte samen met onderzoekers van de Universiteit van Houston en in India, Brazilië, Duitsland en elders om het materiaal van natuurlijk voorkomend hematiet te exfoliëren met behulp van een combinatie van ultrasoonapparaat, centrifugeren en vacuümgeassisteerde filtratie.

Van hematiet was al bekend dat het fotokatalytische eigenschappen had, maar ze zijn niet goed genoeg om nuttig te zijn, aldus de onderzoekers.

"Om een ​​materiaal een efficiënte fotokatalysator te laten zijn, het moet het zichtbare deel van het zonlicht absorberen, elektrische ladingen genereren en transporteren naar het oppervlak van het materiaal om de gewenste reactie uit te voeren, " zei Oomman Varghese, een co-auteur en universitair hoofddocent natuurkunde aan de Universiteit van Houston.

"Hematiet absorbeert zonlicht van ultraviolet tot het geeloranje gebied, maar de geproduceerde ladingen zijn van zeer korte duur. Als resultaat, ze sterven uit voordat ze de oppervlakte bereiken, " hij zei.

Fotokatalyse van hemaaten is efficiënter omdat fotonen negatieve en positieve ladingen genereren binnen enkele atomen van het oppervlak, aldus de onderzoekers. Door het nieuwe materiaal te combineren met titaniumdioxide-nanobuisjes, die zorgen voor een gemakkelijke weg voor elektronen om het hematene te verlaten, de wetenschappers ontdekten dat ze meer zichtbaar licht konden absorberen.

De onderzoekers ontdekten ook dat de magnetische eigenschappen van hematene verschillen van die van hematiet. Hoewel natuurlijk hematiet antiferromagnetisch is, testen toonden aan dat hemateen ferromagnetisch is, als een gewone magneet. Bij ferromagneten, magnetische momenten van atomen wijzen in dezelfde richting. Bij antiferromagneten, de momenten in aangrenzende atomen wisselen elkaar af.

In tegenstelling tot koolstof en zijn 2D-vorm, grafeen, hematiet is een niet-van der Waals materiaal, wat betekent dat het bij elkaar wordt gehouden door 3D-bindingsnetwerken in plaats van niet-chemische en relatief zwakkere atomaire van der Waals-interacties.

"De meeste 2D-materialen tot nu toe zijn afgeleid van bulk-tegenhangers die gelaagd van aard zijn en algemeen bekend als van der Waals-vaste stoffen, " zei co-auteur professor Anantharaman Malie Madom Ramaswamy Iyer van de Cochin University of Science and Technology, Indië. "2D-materialen van bulkprecursoren met (niet-van der Waals) 3D-bindingsnetwerken zijn zeldzaam, en in deze context neemt hematene grote betekenis."

Volgens co-auteur Chandra Sekhar Tiwary, een voormalig postdoctoraal onderzoeker bij Rice en nu een assistent-professor aan het Indian Institute of Technology, Gandhinagar, de medewerkers onderzoeken andere niet-van der Waals-materialen voor hun 2D-potentieel.