Стабильность новых 2D материалов можно настраивать, изменяя состав их слоев

Ученые определили особенности термической устойчивости новых 2D материалов, аналогов природного минерала валлериита, и научились их контролировать, добавляя в состав примеси металлов. Это позволит расширить потенциальные области применения нового класса двумерных сульфидно-гидроксидных синтетических материалов, например, использовать для получения высокотемпературной сверхпроводимости. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Omega.

Двумерные материалы, такие как графен привлекают большое внимание благодаря своим уникальным свойствам, которые могут найти применение в электронике, катализаторах, сенсорах, биомедицине и других областях. Недавно ученые Красноярского научного центра СО РАН разработали новый метод синтеза двумерных свободных от примесных фаз наночешуек синтетического валлерита и точилинита. Такие чешуйки состоят примерно из дюжины сложенных друг на друга монослоев сульфидов и гидроксидов. Полученные синтетические минералы были выделены в новое семейство 2D-материалов с многообещающими, но пока еще почти неизученными физическими и химическими свойствами.

Чтобы понять специфику поведения новых 2D-материалов на основе валлерита, ученые из Красноярского научного центра СО РАН провели исследование термической стабильности и реакционной способности синтетических образцов слоистых материалов, аналогов природного минерала валлериита, представленных «наночешуйками». Эксперименты проводились в искусственно созданных атмосферах: окислительной – с избытком кислорода, и инертной.

Исследование термической стабильности валлериитоподобных материалов показало, что можно несколько регулировать характеристики за счет изменения состава слоев. Например, добавка алюминия в гидроксидный слой валлериита повышает его стабильность и эффективно препятствует окислению. Она также снижает содержание железа в гидроксидной части и уменьшает способность материала проводить тепло. Это, в свою очередь, замедляет химические реакции, протекающие с поглощением тепла, и наоборот ускоряет реакции, при которых тепло выделяется. Например, присутствие алюминия повышает температуры протекания процесса дегидроксилирования – удаления гидроксильных групп из вещества, до температуры около 500 градусов Цельсия.

«Ранее нами были успешно разработаны гидротермальные методики получения двумерных сульфидно-гидроксидных материалов, аналогов природных минералов валлериита и точилинита. В отличие от формирования указанных минералов в природных условиях, синтез в лаборатории позволяет тонко управлять составом и строением слоев таких материалов, что открывает широкие возможности их практического использования. Устойчивость материала к действию температуры является важной характеристикой, определяющей области его дальнейшего применения. Поэтому мы рассмотрели границы термической устойчивости синтетических двумерных материалов с добавленным литием и алюминием, в окислительной и инертной атмосферах. Мы выяснили, что, например, в инертной атмосфере процесс деградации материала начинается при температурах свыше 400°С, а до указанной температуры материал достаточно стабилен»», — рассказал Роман Борисов, кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН.

На создание и изучение свойств двумерных слоисто-гидроксидных материалов ученых первоначально натолкнули существующие в природе минералы – точилинит и валлериит, которые в больших количествах встречается в Норильском медно-никелевом рудном месторождении, но остаются невовлеченными в промышленную переработку из-за недостаточного понимания строения и свойств. Изучение синтетических материалов может также помочь в создании основ для вовлечения указанных минералов в переработку.

«Мы выяснили некоторые специфические характеристики 2D-слоистых структур, например, примеси алюминия и лития в гидроксидных слоях изменяют характеристики материала. Информация о стабильности и реакциях валлериитов при повышенных температурах необходима для многих потенциальных применений; кроме того, это необходимо для понимания основ химии двумерных слоистых материалов и имеет практическое значение для обогащения полезных ископаемых и металлургии. Результаты этого исследования проливают свет на химическую реакционную способность 2D-материалов семейства валлериита и открывают путь для настройки их характеристик, в том числе в новых приложениях, где важно термическое поведение. Понимание особенностей структуры, электронных свойств и реакционной способности материалов группы валлериита может заложить основы для получения высокотемпературной сверхпроводимости», — заключил кандидат химических наук старший научный сотрудник Института химии и химической технологии СО РАН Максим Лихацкий.

Исследование поддержано Российским научным фондом (проект 22-13-00321).