Ученые разработали новый композитный двумерный материал на основе природного минерала

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 наночастицы.

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 наночешуйчатый 2D-композит можно применять в нанофотонике и оптоэлектронике, фото- и электрокатализе, 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).

Фото Анастасии Тамаровской / ФИЦ КНЦ СО РАН

Информация предоставлена Федеральным исследовательским центром «Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук»