Schematiska illustrationer av den elektrokemiska litiumjoninterkalationsbaserade exfolieringsprocessen. Kredit:Yang, R., Mei, L., Zhang, Q. et al. /DOI-nummer:10.1038/s41596-021-00643-w
Tvådimensionella (2D) övergångsmetalldikalkogenider (TMD), en framväxande klass av material som kan användas som halvledare och isolatorer, har lovande potential i olika tillämpningar på grund av sina unika egenskaper. Men den pålitliga produktionen av dessa atomärt tunna 2D-material har varit utmanande. En forskargrupp ledd av en materialforskare från City University of Hong Kong (CityU) har utvecklat en effektiv elektrokemisk exfolieringsmetod för att uppnå högutbyte av TMD nanosheets. Denna nya strategi lägger en ny riktning för massproduktion av TMD nanosheets för bred tillämpning i framtiden.
Forskargruppen leddes av Dr Zeng Zhiyuan, biträdande professor vid CityU:s institution för materialvetenskap och teknik (MSE), i samarbete med forskare från University of Montpellier och Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST). Deras resultat publicerades i den akademiska tidskriften Nature Protocols , under titeln "Högavkastande produktion av mono- eller fålagers övergångsmetall dikalkogenid nanoskivor genom en elektrokemisk litiumjoninterkalationsbaserad exfolieringsmetod."
En enkel metod som ger en högre grad av kontroll
Tidigare kan TMD nanosheets framställas med en kemisk metod som kallas litiumjoninterkalationsbaserad exfoliering. Interkalering betyder införande av en molekyl eller jon i material som har skiktade strukturer. Om varje lager är interkalerat med litiumjoner, kommer material med monolager att produceras efter ultraljudsbehandling och exfoliering; om endast delar av skikten är interkalerade med litiumjoner, blir resultatet två- eller fåskiktsprodukter.
Genom att använda detta batteritestsystem kan mängden interkalerade litiumjoner i skiktade material kontrolleras effektivt genom att justera brytspänningen. Kredit:Nature Protocols (2022). DOI:10.1038/s41596-021-00643-w
Denna traditionella kemiska metod måste dock utföras vid en relativt hög temperatur upp till 100 °C och under lång tid, vissa kan ta tre dagar. Ännu viktigare är att det är svårt att kontrollera mängden litiuminförande.
För att övervinna ovanstående utmaningar, antog Dr Zeng och hans team ett elektrokemiskt tillvägagångssätt för att syntetisera mono- eller fålager oorganiska nanosheets. "Metoden vi utvecklade är relativt enkel och okomplicerad, och den erbjuder en högre grad av kontroll under milda förhållanden. Med vår metod kan högutbytespreparering av monolager TMD-nanoark enkelt utföras i rumstemperatur på cirka 25 ℃ inom 26 timmar, " sa Dr Zeng.
Deras elektrokemiska litiumjoninterkalationsbaserade exfolieringsmetod innefattar tre enkla steg:elektrokemisk interkalering av litiumjon till skiktade bulkmaterial, följt av en mild ultraljudsljudbehandlingsprocess i avjoniserat vatten eller etanol i 5 till 10 minuter, och slutligen exfoliera och centrifugera för att få de renade 2D nanoarken.
Dr Zeng påpekade att med deras metod kan mängden litiuminterkalering kontrolleras effektivt genom att justera brytspänningen. "Denna överlägsna funktion kan få litium-interkaleringsprocessen att stanna vid en lämplig mängd litium", tillade han.
Bilder på de exfolierade nanoarken av en, MoS2. b, WS2. c, TiS2. d, TaS2. e, BN. f, NbSe2. Mono- och få-lager oorganiska nanosheets framställdes framgångsrikt med denna metod. Kredit:Nature Protocols (2022). DOI:10.1038/s41596-021-00643-w
Högavkastande produktion av monolager TMD nanosheets
Dr Zeng lyfte fram de fyra fördelarna med detta elektrokemiska tillvägagångssätt. För det första uppnås ett högt utbyte av monolager TMD. Med MoS2 och TaS2, två typer av TMD som de studerade, som exempel, bland de 2D-nanoark som framställts med denna metod, var över 90% av dem (92% för MoS2 och 93% för TaS2) enkla lager, medan resten av de 8 % och 7 % var dubbla lager, trelager eller till och med flerlager.
För det andra kunde de tillverka monolager TMD nanosheets i en stor lateral storlek. Den laterala storleken på MoS2-monoskiktet som teamet erhållit med denna beredningsmetod kan nå 3 μm.
För det tredje är deras procedur skalbar. Teamet tror att ytterligare uppskalning av produktionen av monolager TMD nanosheets för industriapplikationer kan realiseras genom att öka mängden TMD från milligram (mg) till gram (g), eller till och med ton. Och slutligen, deras TMD nanoark är lösningsbearbetbara och utskrivbara. De kan dispergeras brett och jämnt i vattenlösning utan tillsats av ett ytaktivt ämne, och kan användas som bläck i tryckteknik.
TMD nanoark som teamet fick är lösningsbearbetbara och utskrivbara. Kredit:Nature Protocols (2022). DOI:10.1038/s41596-021-00643-w
TMD nanoark med bred tillämpning
"Vår metod är en mogen, effektiv och lovande strategi för högavkastande produktion av mono- eller fålager TMD nanosheets," avslutade Dr Zeng, som har studerat massproduktion av 2D TMD-material i över 10 år.
Teamet trodde att deras metod för högutbyte och massproduktion av mono- eller fålagers TMD nanosheets skulle öppna en ny riktning för grundläggande och tillämpad forskning, vilket lockar både den akademiska världens och industrins uppmärksamhet. "TMD-nanoark som framställts med denna metod skulle kunna användas brett inom olika områden som gasavkänning, minnesenheter, detektering av biomolekyler, elektrokatalytisk väteutveckling, lysdioder och litiumjonbatterier," tillade han.
Dr Zeng, Dr Damien Voiry från University of Montpellier och professor Hyeon Suk Shin från Ulsan National Institute of Science and Technology är motsvarande författare till artikeln. De första författarna är Yang Ruijie (tidigare gruppmedlem i Dr Zengs CityU Group), Mei Liang och Zhang Qingyong, båda är Ph.D. kandidater övervakade av Dr Zeng. Miss Fan Yingying (fd teammedlem) deltog också i forskningen. + Utforska vidare
