Красноярские ученые получили новый
нанокомпозитный 2D-материал на основе минерала точилинита с регулируемыми
свойствами. Он состоит из чередующихся слоев сульфида железа и гидроксида
магния, имеет вид наночешуек и может применяться в нанофотонике,
оптоэлектронике, использоваться в качестве сорбентов, электродов и
наноантенн. Результаты исследования опубликованы в журнале New Journal of Chemistry.
Двумерные материалы, такие как прославленный
Нобелевской премией графен, представляют большой интерес как для
исследователей, так и для технического развития. Они имеют толщину всего в один
атом и обладают уникальными свойствами, которые могут привести к созданию новых
устройств и технологий с улучшенными характеристиками.
Ученые из ФИЦ «Красноярский научный центр СО РАН» и
СФУ синтезировали новый многофункциональный композитный двумерный материал на
основе природного минерала точилинита. Он состоит из чередующихся слоев
сульфида железа и гидроксида магния, связанных за счет электрических зарядов, и
образует чешуевидные частицы латеральным размером от ста до двухсот нанометров
и толщиной около 20 нанометров.
Чтобы получить наночешуйки точилинита, специалисты
взяли за основу протокол, разработанный для другого минерала — валлериита. Они
модифицировали метод, варьируя концентрации прекурсоров и примесей, чтобы
избежать побочных продуктов реакции и контролировать состав материала. В
результате ученые выработали легкий и простой метод, основанный на
гидротермальном синтезе, позволяющий получать композит при умеренной
температуре и атмосферном давлении. В процессе синтеза структура точилинита
«самособирается» за счет противоположных электрических зарядов на слоях
сульфида железа и гидроксида магния. Таким образом, ученые получили практически
чистый двумерный синтетический точилинит.
Специалисты обнаружили, что электронные, оптические
и магнитные свойства разработанного композита определяются сульфидными слоями,
и что ими можно управлять, контролируя состав гидроксидной части. Для этого
исследователи добавили в материал литий и алюминий, которыми частично заменили
магний в гидроксидном слое. Благодаря открытой возможности управления
свойствами нового материала, а также его слоистой структуре, наночашуйчатый 2D-
композит можно применять в нанофотонике и оптоэлектронике, фото- и электро-
катализе, использовать как наноантенны, сорбенты и электроды, например, в
литиевых, магниевых, алюминиевых источниках тока, электрохимических
конденсаторах.
«Мы занимаемся получением синтетических
двумерных сульфидно-гидроксидных материалов, аналогов природных минералов. До
этого нам удалось синтезировать практически чистую фазу синтетического
двумерного материала на основе природного минерала валлериита.
Теперь мы смогли получить чистые сульфидно-гидроксидные аналоги природного
слоистого минерала точилинита. Они дешевы, экологически безопасны и просты в
производстве. В отличие от ранее синтезированных, данные материалы не содержат
в сульфидных слоях медь. Это делает их менее стойкими к окислению, но более
интересными в плане свойств. Мы также научились целенаправленно
влиять на распределение железа в сульфидном и гидроксидном слоях. Такая
возможность настройки открывает дополнительные перспективы использования
точилинита в электронике и спинтронике», — поясняет кандидат
химических наук научный сотрудник Института химии и химической технологии СО
РАН Роман Борисов.
Исследователи отмечают, что для создания
2D-материалов, чаще всего, приходится проводить компьютерное моделирование для
того, чтобы понять, какими свойствами будет обладать материал с заложенными в
модель составом и структурой. Однако в этом случае на создание композитного
материала точилинита ученых вдохновила природа.
«В науке есть один интересный подход,
основанный на том, чтобы «подглядеть» у природы. Природа сама по себе является
замечательной лабораторией. Минералы валлериит и точилинит природного
происхождения уникальны тем, что построены из чередующихся сульфидных и
гидроксидных слоев, каждый из которых толщиной всего в несколько атомных
размеров. На состав слоев минералов сильно влияет состав той природной среды, в
которой они формировались. Мы попробовали повторить этот процесс в лаборатории.
При этом не просто «скопировать» условия природного синтеза, а заметно
расширить состав материалов и получить соединения с новыми структурами
сульфидных и гидроксидных слоев. Например, для управления свойствами материалов
оказалось крайне важным контролировать содержание трёхвалентного железа в
гидроксидных слоях. Мы показали, что этот фактор существенно влияет на
реакционную способность синтезированных материалов и термостабильность,
оптические и электронные свойства, интересные для ряда приложений. В целом, мы
первыми начали рассматривать точилиниты и валлерииты именно как синтетические
платформы для получения новых двумерных материалов со смешаннослоистой
структурой», — рассказывает руководитель
проекта кандидат химических наук, старший научный сотрудник Института химии и
химической технологии СО РАН Максим Лихацкий.
Работа выполнена при поддержке Российского научного
фонда (проект №
22-13-00321)
Источник: КНЦ СО РАН