Meget skalerbar proces for at opnå stabil 2-D nanosheet-spredning

Et KAIST-team udviklede teknologi, der tillader masseproduktion af todimensionel (2-D) nanomaterialespredning ved at udnytte den karakteristiske forskydningskraft fra hydraulisk kraft.

2-D nanosheet-dispersionen kan anvendes direkte til løsningsbaserede processer til fremstilling af enheder til elektronik samt energilagring og -konvertering. Det forventes at blive brugt i disse enheder med forbedret ydeevne.

Der har været adskillige undersøgelser af masseproduktion af forskellige 2-D nanomaterialer, fordi de viser fremragende fysiske og kemiske egenskaber, når de virkelig er 2-D.

Kun med stærk mekanisk kraft eller kemisk reaktion, hver eksisterende eksfolieringsmetode har sin begrænsning til at lave 2-D-materiale, når produktionens omfang øges. De står også over for problemer med høje omkostninger og lang procestid.

I øvrigt, 2-D nanoark ved eksfoliering har tendens til agglomerering på grund af overfladeenergien. Som regel, organisk opløsningsmiddel eller overfladeaktivt middel er påkrævet for at opnå højt udbytte og koncentration af 2-D materiale ved at minimere agglomeration.

Efter flere års forskning, Professor Do Hyun Kim fra Institut for Kemi og Biomolekylær Teknik og hans team bekræftede, at optimeret forskydning i deres reaktor gav den højeste effektivitet til eksfoliering af nanomateriale. For den øgede reaktorkapacitet, de valgte et flow og et dispergeringsmiddel til at udvikle en højhastigheds masseproduktionsproces for at få 2-D nanoark ved fysisk eksfoliering med en vandig opløsning.

Holdet foreslog en flowreaktor baseret på Taylor-Couette flow, som har fordelen ved høj forskydningshastighed og blandingseffektivitet selv under stor reaktorkapacitet.

I denne forskning, Professor Young-Kyu Han ved Dongguk University-Seoul udførte Ab initio-beregningen for at vælge det dispersive middel. Ifølge hans beregning, en ionisk væske kan stabilisere og sprede 2-D nanomateriale selv i en lille koncentration. Denne beregning kunne maksimere eksfolieringseffektiviteten.

Professor Bong Gill Choi ved Kangwon National University udførte evalueringen af ​​en enhed lavet af resulterende dispersion. Holdet brugte en membranfiltreringsproces til at lave en fleksibel og stærkt ledende film af 2D-materiale. Filmen blev derefter påført for at fremstille en elektrode til superkondensatoranordningen med meget høj kapacitet pr. volumen. De bekræftede også dens stabilitet i deres superkondensatorenhed.

Derudover de anvendte dispersive nanomaterialer inklusive grafen, molybdændisulfid (MoS₂), og bornitrid (BN) til inkjetprinterblæk og realiserede mikrometertykke nanomaterialemønstre på A4-papir. Grafenblækket viste intet tab af elektriske egenskaber efter udskrivning uden yderligere varmebehandling.

Professor Kim sagde, "Denne nye teknologi til højhastigheds masseproduktion af nanomaterialer kan nemt anvendes på forskellige 2-D nanomaterialer. Det vil fremskynde produktionen af ​​højeffektive enheder til optoelektronik, biosensorer, og energilagrings-/konverteringsenheder med lave omkostninger."