Övergångsmetalltellurid nanoskivor har visat enorma löften för grundläggande forskning och andra tillämpningar inom en regnbåge av olika områden, men fram till nu har masstillverkning varit omöjlig, vilket lämnar materialet som något av en laboratoriekuriosa snarare än en industriell verklighet.
Men ett team av forskare har nyligen utvecklat en ny tillverkningsteknik – användningen av kemiska lösningar för att dra bort tunna lager från sina moderföreningar, skapa atomärt tunna ark – som ser ut att infria det ultratunna ämnets löfte äntligen.
Forskarna beskriver sin tillverkningsteknik i en studie publicerad i Nature .
I världen av ultratunna eller "tvådimensionella" material - de som bara innehåller ett enda lager av atomer - har övergångsmetalltellurid (TMT) nanoskivor under de senaste åren orsakat stor upphetsning bland kemister och materialvetare för sina särskilt ovanliga egenskaper .
Dessa föreningar, gjorda av tellur och något av grundämnena i "mitten" av det periodiska systemet (grupp 3-12), har en rad tillstånd från halvmetalliska till halvledande, isolerande och supraledande och ännu mer exotiska tillstånd, som såväl som magnetisk och unik katalytisk aktivitet.
Dessa egenskaper erbjuder en rad potentiella tillämpningar inom elektronik, energilagring, katalys och avkänning. Särskilt TMT nanosheets utforskas som nya elektrodmaterial i batterier och superkondensatorer – väsentliga för den rena övergången – på grund av deras höga ledningsförmåga och stora yta.
TMT nanosheets kan också användas som elektrokatalysatorer för litium-syrebatterier, vilket förbättrar deras effektivitet och prestanda. Andra potentiella tillämpningar inom framväxande teknologier inkluderar solceller och termoelektrik, väteproduktion och filtrering och separation. De har till och med visat sig uppvisa intressanta kvantfenomen, såsom kvantoscillationer och jättemagnetoresistans.
"Listan över industrier som skulle åtnjuta betydande effektivitetsförbättringar från massproduktion av TMT nanosheets är extremt lång", säger teamledaren WU Zhong-Shuai, en kemist vid Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Chinese Academy of Sciences. "Det är därför detta 2D-material potentiellt är så spännande."
Tyvärr, trots olika försök till exfoliering av högkvalitativa TMT nanosheets, fortsätter det att vara en betydande utmaning att bevara hög kristallinitet samtidigt som man uppnår stora nanosheets och ultratunna egenskaper. De metoder som hittills utarbetats är inte skalbara på grund av långa handläggningstider. De kräver också ofta giftiga kemikalier. Således har egenskaperna hos TMT-nanoark förblivit ett intressant laboratoriefenomen som inte riktigt kan ta steget till massproduktion och industriell tillämpning.
Teamet knäckte till slut detta problem via en förenklad process av litiumbehandling, hydrolys och slutligen nanosheetsexfoliering.
Först framställdes en bulkmängd metalltelluridkristaller med användning av kemisk ångtransport - en metod som vanligtvis används inom kemin för att transportera fasta föreningar från en plats till en annan med hjälp av en bärgas. När reaktionskärlet värms upp förångas transportmedlet och bär med sig den fasta föreningen som ånga.
Ångan färdas genom reaktionskärlet och kan möta en svalare yta, där föreningen kan avsättas och bilda kristaller. Detta möjliggör kontrollerad tillväxt av kristaller eller mycket tunna filmer av den önskade föreningen. I detta fall blandas sedan de framställda telluridkristallerna med litiumborhydrid. Denna process innebär att litiumjoner placeras mellan lagren av metalltelluridkristallerna, vilket leder till bildandet av en mellanliggande, "litierad" förening.
Den litierade mellanföreningen dränks sedan snabbt med vatten, vilket resulterar i "exfoliering" eller strippning av de litierade metalltelluridkristallerna till nanoskivor på några sekunder.
Slutligen samlas och karakteriseras de exfolierade nanoskivorna av metalltellurid baserat på deras form och storlek, vilket gör att de kan bearbetas vidare till olika former, såsom filmer, bläck och kompositer, beroende på den önskade applikationen.
Hela processen tar bara tio minuter för lithieringen och sekunder för hydrolysen. Tekniken är kapabel att producera högkvalitativa TMT-nanoark med olika önskade tjocklekar med mycket hög avkastning.
När de testade nanoarken fann forskarna att deras laddningslagring, höghastighetskapacitet och stabilitet gjorde dem lovande för tillämpningar i litiumbatterier och mikrosuperkondensatorer.
De tror att deras teknik i huvudsak är redo för kommersialisering, men de vill också genomföra ytterligare studier för att karakterisera egenskaperna och beteendet hos deras nanosheets, samt ytterligare förfina och optimera lithierings- och exfolieringsstadierna.
Mer information: Hui-Ming Cheng, metalltellurid nanosheets genom skalbar solid lithiation och exfoliering, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07209-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07209-2
Journalinformation: Natur
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
