Nature子刊：赤铁矿中液相剥离血红素可增强光催化性能

自2004年石墨烯被分离出来后，一场有关新二维材料的竞赛就此开始了。二维材料是一种厚度介于一个原子与几纳米之间（十亿分之一米）的单层物质。它们降维的独特性质在纳米技术和纳米工程的发展中起着关键的作用。

一个包括巴西Campinas大学的科学家们（UNICAMP）在内的国际研究小组成功地制造出了具有这些特性的新材料。

包括巴西在内，如世界上许多地方开采出来的一样，研究人员从普通铁矿中提取了一种称为血红素的2D材料。该材料只有三个原子厚，被认为具有增强的光催化能力的性能。

一篇发表在《Nature Nanotechnology 》杂志中的文章上（“铁矿石赤铁矿中非范德瓦尔斯材料的剥离”）描述了这项创新。这项研究是在计算工程与科学中心（CCES）进行的，它是由圣保罗研究基金会-FAPESP的创新和传播中心（RIDCs）资助的，在海外的研究实习FAPESP也进行了资助。

赤铁矿液相剥离为血红素。

“比如我们合成的材料可以充当光催化剂，将水分解成氢和氧，从而可以从氢产生电，它还有其他几种潜在的应用。”该研究的作者之一，CCES的共同首席研究员Douglas Soares Galvão先生说。

新材料从赤铁矿中剥落，赤铁矿是地球上最常见的矿物之一，也是铁的主要来源，铁则是最便宜的金属，它应用于许多产品中，主要用于炼钢。

不同于碳及其2D形态的石墨烯，赤铁矿是一种非范德瓦尔斯材料，这意味着它是由3D键合网络，而不是由非化学和相对较弱的原子范德瓦尔斯相互作用，他们是非共价键（它们不涉及由参与键的原子共用一对或多对电子）。

因为它是一种天然矿物，具有高度导向性，属于大晶体，是非范德瓦尔斯材料。研究人员认为赤铁矿是一种用于剥离新的2D材料的极好的前体。

“迄今为止合成的大部分2D材料来自范德瓦尔斯固体样品。具有高度有序原子层和大晶粒的非范德瓦尔斯2D材料仍然很稀有。” Galvão说。

血红素是在有机溶剂N，N-二甲基甲酰胺（DMF）中通过赤铁矿的液相剥离合成的。透射电子显微镜证实了单片中的血红素的剥落和形成，其厚度只有三个铁和氧原子（单层），并且在随机堆叠的片材（双层）中。

通过试验和数学计算对血红素的磁性进行了研究。结果表明，它们赤铁矿的磁性不同。

虽然原生赤铁矿是反铁磁性的，但血红素是铁磁性的，就像普通磁铁一样。在铁磁体中，偶极子沿同一方向平行排列。在反铁磁体中，偶极子是反平行的，并且在相反的方向上排列。

“在铁磁体中，原子的磁矩指向同一方向。在反铁磁体中，相邻原子中的矩交替。” Galvão解释说。

高效光催化剂

研究人员还分析了血红素的光催化特性——它在光照射时提高化学反应速度的能力。赤铁矿光催化性能众所周知，但催化能力不强。研究结果表明，用血红素光催化比赤铁矿光催化更为有效。

对于一种有效的光催化剂而言，它必须吸收阳光的可见部分来产生电荷，并将其输送到材料表面以实现所需的反应。

赤铁矿从黄橙色区域吸收阳光，但它产生的电荷是非常短暂的。结果就是它在到达地表之前就消失了。

研究人员说，由于光子在表面的几个原子内产生负电荷和正电荷，所以血红素光催化效率更高。通过将新材料与二氧化钛纳米管阵列配对，科学家发现它们可以允许更多可见光被吸收。这为电子离开血红素提供了一个简单的途径。

“血红素可能是一种高效的光催化剂，特别是将水分解成氢和氧，并且还可以用作超音速自旋材料的磁性材料。” FAPESP RIDC的研究员说。自旋电子学（或磁电子学）是一种新的技术，用于存储、显示和处理基于电子自旋所带来的变化的信息，可自旋直接耦合到它的磁矩。

该小组已经研究了其他可产生具有奇异特性的新2D材料的非范德瓦尔斯材料的潜力。“有许多其它铁氧化物及其衍生物，它们是产生新2D材料的候选材料。” Galvão说。

原文来自：Nanowerk，原文题目：New two-dimensional material could revolutionize solar fuel generation，由材料科技在线团队翻译整理。