En effektiv elektrokemisk interkalationsmetode til højtydende produktion af TMD nanosheets

Todimensionelle (2D) overgangsmetal dichalcogenider (TMD'er), en ny klasse af materialer, der kan bruges som halvledere og isolatorer, har et lovende potentiale i forskellige applikationer på grund af deres unikke egenskaber. Men den pålidelige produktion af disse atomisk tynde 2D-materialer har været udfordrende. Et forskerhold ledet af en materialeforsker fra City University of Hong Kong (CityU) har udviklet en effektiv elektrokemisk eksfolieringsmetode til at opnå højtydende produktion af TMD nanoark. Denne nye strategi lægger en ny retning for masseproduktion af TMD nanoark til bred anvendelse i fremtiden.

Forskerholdet blev ledet af Dr. Zeng Zhiyuan, adjunkt i CityU's afdeling for materialevidenskab og -teknik (MSE), i samarbejde med forskere fra University of Montpellier og Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST). Deres resultater blev offentliggjort i det akademiske tidsskrift Nature Protocols , under titlen "Højudbytteproduktion af mono- eller få-lags overgangsmetal dichalcogenid nanoplader ved hjælp af en elektrokemisk lithium-ion interkalationsbaseret eksfolieringsmetode."

En simpel metode, der giver en højere grad af kontrol

Tidligere kunne TMD nanosheets fremstilles ved en kemisk metode kaldet lithium ion intercalation-baseret eksfoliering. Interkalation betyder indsættelse af et molekyle eller ion i materialer, der har lagdelte strukturer. Hvis hvert lag er interkaleret med lithium-ioner, vil materialer med monolag blive produceret efter ultralydslydbehandling og eksfoliering; hvis kun dele af lagene er interkaleret med lithium-ioner, så vil resultatet være to- eller fålagsprodukter.

Denne traditionelle kemiske metode skal dog udføres ved en relativt høj temperatur op til 100 °C og i lang tid, nogle kan tage tre dage. Endnu vigtigere er det vanskeligt at kontrollere mængden af ​​lithiumindføring.

For at overvinde de ovennævnte udfordringer, har Dr. Zeng og hans team vedtaget en elektrokemisk tilgang til at syntetisere de mono- eller fålags uorganiske nanoark. "Den metode, vi udviklede, er relativt enkel og ligetil, og den giver en højere grad af kontrol under milde forhold. Ved hjælp af vores metode kan højtydende fremstilling af monolag TMD nanoark let udføres ved stuetemperatur på omkring 25 ℃ inden for 26 timer, " sagde Dr. Zeng.

Deres elektrokemiske lithiumion interkalationsbaserede eksfolieringsmetode involverer tre enkle trin:elektrokemisk interkalation af lithiumion i lagdelte bulkmaterialer, efterfulgt af en mild ultralyds sonikeringsproces i deioniseret vand eller ethanol i 5 til 10 minutter, og til sidst eksfolieres og centrifugeres for at få de rensede 2D nanoark.

Dr. Zeng påpegede, at ved hjælp af deres metode kan mængden af ​​lithium-interkalation kontrolleres effektivt ved at indstille cutoff-spændingen. "Denne overlegne funktion kan få lithium-interkalationsprocessen til at stoppe ved en passende lithiummængde," tilføjede han.

Højudbytteproduktion af monolag TMD nanoark

Dr. Zeng fremhævede de fire fordele ved denne elektrokemiske tilgang. For det første opnås et højt udbytte af monolag TMD. Ved at tage MoS2 og TaS2, to slags TMD'er, de studerede, som eksempler, blandt 2D nanoark fremstillet med denne metode, var over 90% af dem (92% for MoS2 og 93% for TaS2) enkeltlag, mens resten af ​​de 8 % og 7 % var dobbeltlag, trelag eller endda flerlag.

For det andet kunne de fremstille monolag TMD nanoark i en stor lateral størrelse. Den laterale størrelse af MoS2-monolaget, som holdet opnåede ved denne forberedelsesmetode, kan nå 3 μm.

For det tredje er deres procedure skalerbar. Holdet mener, at yderligere opskalering af produktionen af ​​monolag TMD nanoark til industriapplikationer kan realiseres ved at øge mængden af ​​TMD i bulk fra milligram (mg) til gram (g) eller endda tons. Og endelig kan deres TMD nanoark behandles og udskrives. De kunne fordeles bredt og jævnt i vandig opløsning uden tilsætning af et overfladeaktivt middel og kunne bruges som blæk i printteknologi.

TMD nanoark med bred anvendelse

"Vores metode er en moden, effektiv og lovende strategi for højtydende produktion af mono- eller fålags TMD nanoark," konkluderede Dr. Zeng, som har studeret masseproduktion af 2D TMD-materialer i over 10 år.

Holdet troede, at deres metode til højudbytte og masseproduktion af mono- eller fålags TMD-nanoark ville åbne en ny retning for grundlæggende og anvendt forskning og tiltrække opmærksomhed fra både den akademiske verden og industrien. "TMD-nanoark fremstillet ved denne metode kan anvendes bredt inden for forskellige områder såsom gassensing, hukommelsesenheder, detektion af biomolekyler, elektrokatalytisk brintudvikling, lysemitterende dioder og lithium-ion batteri," tilføjede han.

Dr. Zeng, Dr. Damien Voiry fra University of Montpellier, og professor Hyeon Suk Shin fra Ulsan National Institute of Science and Technology er de tilsvarende forfattere af papiret. De første forfattere er Mr. Yang Ruijie (tidligere teammedlem af Dr. Zengs CityU Group), Mr. Mei Liang og Mr. Zhang Qingyong, begge er Ph.D. kandidater overvåget af Dr. Zeng. Miss Fan Yingying (et tidligere teammedlem) deltog også i forskningen. + Udforsk yderligere

Nye metal-organiske nanoplader udviklet til korrosionsbeskyttelse