Hematene se junta a desfile de novos materiais 2D com capacidade de gerar energia por fonte solar

Na esteira de sua recente descoberta de uma forma plana de gálio , uma equipe internacional liderada por cientistas da Universidade Rice criou outro material bidimensional que, segundo os pesquisadores, poderia ser um divisor de águas para a geração de energia solar.

O Hematene criado por uma equipe liderada pela Rice University é o primeiro material bidimensional não-van der Waals conhecido. A imagem do elétron de transmissão mostra uma única folha de hematene. A barra de escala é igual a 0,5 mícron. Cortesia de Shyam Sinha e Peter van Aken / Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido, Stuttgart, Alemanha.

O cientista de materiais de arroz Pulickel Ajayan e seus colegas extraíram hematenos de 3 átomos de espessura de minério de ferro comum. A pesquisa foi introduzida em um artigo hoje na Nature Nanotechnology .

Hematene pode ser um eficiente fotocatalisador, especialmente para dividir a água em hidrogênio e oxigênio, e também pode servir como um material magnético ultrafino para dispositivos baseados em spintrônicos, disseram os pesquisadores.

"O magnetismo 2D está se tornando um campo muito interessante com os recentes avanços na síntese desses materiais, mas as técnicas de síntese são complexas e a estabilidade dos materiais é limitada", disse Ajayan. "Aqui, temos um método simples e escalável, e a estrutura hematene deve ser ambientalmente estável".

O laboratório de Ajayan trabalhou com pesquisadores da Universidade de Houston e na Índia, Brasil, Alemanha e outros lugares para esfoliar o material de hematita natural usando uma combinação de sonicação, centrifugação e filtração assistida por vácuo.

Um esquema mostra o arranjo atômico de átomos de ferro (azul) e oxigênio (branco) em hematene, um material bidimensional que foi esfoliado de hematita pela primeira vez por cientistas da Rice University e seus parceiros internacionais. Cortesia de Cristiano Woellner e Douglas Galvão / Universidade Estadual de Campinas, Brasil.

A hematita já era conhecida por ter propriedades fotocatalíticas, mas não é boa o suficiente para ser útil, disseram os pesquisadores.

"Para que um material seja um eficiente fotocatalisador, ele deve absorver a parte visível da luz do sol, gerar cargas elétricase transportá-las até a superfície do material para realizar a reação desejada", disse Oomman Varghese, co-autor e professor associado. de física na Universidade de Houston.

“A hematita absorve a luz solar do ultravioleta à região amarelo-laranja, mas as cargas produzidas são muito curtas. Como resultado, eles se extinguem antes de chegar à superfície ”, disse ele.

A fotocatálise de Hematene é mais eficiente porque os fótons geram cargas negativas e positivas dentro de poucos átomos da superfície, disseram os pesquisadores. Ao emparelhar o novo material com matrizes de nanotubos de dióxido de titânio , que fornecem um caminho fácil para os elétrons deixarem o hematene, os cientistas descobriram que poderiam permitir que mais luz visível fosse absorvida.

Os pesquisadores também descobriram que as propriedades magnéticas do hematene diferem das da hematita. Enquanto a hematita nativa é antiferromagnética, testes mostraram que hematene é ferromagnético , como um ímã comum. Nos ferromagnetos, os momentos magnéticos dos átomos apontam na mesma direção. Nos antiferromagnetos, os momentos nos átomos adjacentes se alternam.

Uma imagem de microscopia eletrônica de transmissão mostra hematene de camada dupla e monocamada, esfoliada de hematita, um minério de ferro comum, por cientistas da Universidade Rice e seus parceiros internacionais. O material mostra-se promissor como catalisador de aplicações avançadas de geração de energia solar e spintrônica. A barra de escala é igual a 50 nanômetros. Cortesia do Grupo de Pesquisa Ajayan.

Ao contrário do carbono e de sua forma 2D (o grafeno), a hematita é um material não - van der Waals, ou seja, é mantido unido por redes de ligação 3D, em vez de interações atômicas não químicas e comparativamente mais fracas de van der Waals.

"A maioria dos materiais 2D até o momento foi derivada de amostras em massa que são colocadas em camadas na natureza e geralmente conhecidas como sólidos de van der Waals", disse o co-autor Anantharaman Malie Madame Ramaswamy Iyer, da Universidade de Ciência e Tecnologia de Cochin, na Índia. “Materiais 2D de precursores em massa com redes de ligação 3D (não-van der Waals) são raros e, neste contexto, hematene assume grande significado.”

Segundo o co-autor Chandra Sekhar Tiwary, um ex-pesquisador de pós-doutorado na Rice e agora professor assistente do Instituto Indiano de Tecnologia, Gandhinagar, os colaboradores estão explorando outros materiais não-van der Waals por seu potencial 2D.

Iyer e Rice, que visitaram o estudante Aravind Puthirath Balan, da Universidade de Cochin, são os principais autores do estudo. Os co-autores são Sruthi Radhakrishnan, Amey Apte, Carlos de los Reyes, Vidya Kochat, Robert Vajtai, Angel Martí e Gelu Costin de Arroz; Cristiano Woellner e Douglas Galvão, da Universidade Estadual de Campinas, Brasil; Shyam Sinha e Peter van Aken, do Instituto Max Planck de Pesquisa do Estado Sólido, Stuttgart, Alemanha; Liangzi Deng, Banki Manmadha Rao, Maggie Paulose e Ram Neupane da Universidade de Houston, Ching-Wu Chu da Universidade de Houston e Laboratório Nacional Lawrence Berkeley, Berkeley, Califórnia; e Avetik Harutyunyan, do Instituto de Pesquisa Honda USA Inc., Columbus, Ohio.

Ajayan é presidente do Departamento de Ciência de Materiais e Nanoengenharia da Rice, Benjamin M. e Mary Greenwood Anderson, professora de engenharia e professora de química.

A pesquisa foi apoiada pelo Ministério de Desenvolvimento de Recursos Humanos da Índia, o Instituto de Pesquisa Multidisciplinar do Instituto de Pesquisa, o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea, a Fundação de Pesquisa de São Paulo, a Fundação Temple TLL, o Fundo John J. e Rebecca Moores. do Texas, da Shell International Exploration and Production Inc. e do Observatório Neutrino.

Fonte: CURRENT NEWS
Por MIKE WILLIAMS - Sobre o Mike Williams Mike Williams é especialista sênior em relações com a mídia no Escritório de Relações Públicas da Rice University

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