科学家发现新型二维材料，可能会颠覆光催化领域

自2004年石墨烯问世以来，研究人员就开始致力于合成新的二维材料。二维材料是一种单层物质，其厚度介于一个原子和几个纳米之间。具有独特性质（与降维性有关）的二维纳米材料在纳米技术和纳米工程的发展中起着关键作用。

目前，一个包括隶属于巴西坎皮纳斯大学（UNICAMP）的巴西科学家在内的国际研究小组已经成功地生产出一种具有这些特性的新材料。研究人员从全球广泛分布的赤铁矿石中提取了一种被称为hematene的二维材料。这种材料只有3三个原子厚，被认为具有增强的光催化性能。这项研究是在计算工程与科学中心（CCES）进行的，并且其研究结果发表在了《自然-纳米技术》杂志上。

“我们合成的材料可以起到光催化剂的作用，将水分解成氢和氧，这样就可以从氢中获取

产生电力，以及获得其他潜在应用价值。”该研究作者之一、CCES联合首席研究员Douglas SoaresGalvão说道。

与碳及其二维形式的石墨烯不同，赤铁矿是一种非范德华材料，这意味着它是通过三维的键合方式连接在一起的。作为一种自然产生的矿物，赤铁矿是高度取向的大晶体，研究人员认为赤铁矿是剥离新型二维材料的前体。“到目前为止合成的大多数2D材料都来自范德华固体样品。具有高度有序原子层和大颗粒的非范德华2D材料仍然很少。”Galvão说道。

研究人员以赤铁矿为原料，在有机溶剂N-N-二甲基甲酰胺（DMF）中使用液相剥离法合成了hematene。透射电镜证实了hematene在只有3个铁和氧原子厚度的单层片和随机堆叠片（双层片）中剥落和形成。研究人员通过实验和数学计算研究了hematene的磁性。结果表明，它们与赤铁矿的磁性质不同。虽然天然赤铁矿是反铁磁性的，但hematene是铁磁性的，就像一块普通的磁铁。在铁磁体中，偶极子是平行的，并且在同一方向上排列。在反铁磁体中，偶极是反平行的，并在相反的方向上排列。

研究人员还分析了hematene的光催化性能——当被光激发时，它能提高化学反应的速度。结果表明，hematene的光催化比赤铁矿的光催化效率高。

研究人员说，hematene光催化效率更高，因为光子在表面的几个原子中同时产生负电荷和正电荷。通过将这种新材料与二氧化钛纳米管阵列配对，科学家们发现它们可以让更多的可见光被吸收。二氧化钛纳米管阵列为电子离开hematene提供了一条简单的途径。

该小组还研究了其他非范德华材料的潜力，以产生其他具有奇异性质的二维材料。Galvão说:“还有许多其他的铁氧化物及其衍生物可以用来制造新的2D材料。”

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编译：Coke 审稿：三水   责编：张梦  

期刊来源：《自然·纳米技术》

期刊编号：1748-3387

稿件来源：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-07/fda-ntm072618.php

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