Ny fremstillingsteknik tager overgangsmetal tellurid nanoplader fra laboratorium til masseproduktion

Overgangsmetal tellurid nanoplader har vist et enormt løfte for fundamental forskning og andre anvendelser på tværs af en regnbue af forskellige felter, men indtil nu har massefremstilling været umulig, hvilket efterlader materialet som noget af en laboratorie-kuriositet snarere end en industriel realitet.

Men et team af forskere har for nylig udviklet en ny fremstillingsteknik – brugen af ​​kemiske opløsninger til at fjerne tynde lag fra deres moderforbindelser og skabe atomisk tynde plader – der ser ud til endelig at indfri det ultratynde stofs løfte.

Forskerne beskriver deres fremstillingsteknik i en undersøgelse offentliggjort i Nature .

I verden af ​​ultratynde eller 'todimensionelle' materialer - dem, der kun indeholder et enkelt lag atomer - har overgangsmetaltellurid (TMT) nanoplader i de senere år vakt stor begejstring blandt kemikere og materialeforskere for deres særligt usædvanlige egenskaber .

Disse forbindelser, lavet af tellur og et hvilket som helst af grundstofferne i 'midten' af det periodiske system (gruppe 3-12), nyder en række tilstande fra semimetallisk til halvledende, isolerende og superledende og endnu mere eksotiske tilstande, som f. samt magnetisk og unik katalytisk aktivitet.

Disse egenskaber tilbyder en række potentielle anvendelser på tværs af elektronik, energilagring, katalyse og sensing. Især TMT nanosheets bliver udforsket som nye elektrodematerialer i batterier og superkondensatorer - afgørende for den rene overgang - på grund af deres høje ledningsevne og store overfladeareal.

TMT nanosheets kan også bruges som elektrokatalysatorer til lithium-oxygen batterier, hvilket forbedrer deres effektivitet og ydeevne. Andre potentielle anvendelser inden for nye teknologier omfatter fotovoltaik og termoelektrik, brintproduktion og filtrering og separation. De har endda vist sig at vise interessante kvantefænomener, såsom kvanteoscillationer og gigantisk magnetoresistens.

"Listen over industrier, der ville nyde betydelige effektivitetsforbedringer fra masseproduktionen af ​​TMT nanoark er ekstremt lang," sagde teamleder WU Zhong-Shuai, en kemiker ved Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), Chinese Academy of Sciences. "Det er derfor, dette 2D-materiale potentielt er så spændende."

Desværre, på trods af forskellige forsøg på eksfoliering af højkvalitets TMT-nanoark, er det fortsat en betydelig udfordring at bevare høj krystallinitet og samtidig opnå stor nanoarkstørrelse og ultratynde egenskaber. De hidtil udtænkte metoder er ikke skalerbare på grund af lange behandlingstider. De kræver også ofte giftige kemikalier. Egenskaberne ved TMT nanoark er således forblevet et interessant laboratoriefænomen, som ikke helt kan tage springet til masseproduktion og industriel anvendelse.

Holdet fik til sidst knækket dette problem via en forenklet proces med lithiering, hydrolyse og endelig nanosheet-eksfoliering.

Først blev en bulk mængde metaltelluridkrystaller fremstillet ved hjælp af kemisk damptransport - en metode, der almindeligvis anvendes i kemi til at transportere faste forbindelser fra et sted til et andet ved hjælp af en bæregas. Når reaktionsbeholderen opvarmes, fordamper transportmidlet og bærer den faste forbindelse med sig som en damp.

Dampen bevæger sig gennem reaktionsbeholderen og kan støde på en køligere overflade, hvor forbindelsen kan aflejre sig og danne krystaller. Dette giver mulighed for kontrolleret vækst af krystaller eller meget tynde film af den ønskede forbindelse. I dette tilfælde blandes de fremstillede telluridkrystaller derefter med lithiumborhydrid. Denne proces involverer anbringelse af lithiumioner mellem lagene af metaltelluridkrystallerne, hvilket fører til dannelsen af ​​en mellemliggende, 'lithieret' forbindelse.

Den lithierede mellemforbindelse gennemblødes derefter hurtigt med vand, hvilket resulterer i "eksfoliering" eller stripning af de lithierede metaltelluridkrystaller til nanoplader på få sekunder.

Endelig opsamles og karakteriseres de eksfolierede metaltellurid nanoark baseret på deres form og størrelse, hvilket gør det muligt at forarbejde dem yderligere til forskellige former, såsom film, blæk og kompositmaterialer, afhængigt af den ønskede anvendelse.

Hele processen tager kun ti minutter for lithieringen og sekunder for hydrolysen. Teknikken er i stand til at producere højkvalitets TMT nanoark af varierende ønskede tykkelser med meget høje udbytter.

Da forskerne testede nanoarkene, fandt forskerne ud af, at deres ladningslagring, højhastighedskapacitet og stabilitet gjorde dem lovende til anvendelser i lithiumbatterier og mikrosuperkondensatorer.

De mener, at deres teknik i det væsentlige er klar til kommercialisering, men de ønsker også at udføre yderligere undersøgelser for at karakterisere egenskaberne og adfærden af ​​deres nanoark, samt yderligere forfine og optimere lithierings- og eksfolieringsstadierne.

Flere oplysninger: Hui-Ming Cheng, Metal telluride nanoplader ved skalerbar solid lithiation og eksfoliering, Nature (2024). DOI:10.1038/s41586-024-07209-2. www.nature.com/articles/s41586-024-07209-2

Journaloplysninger: Natur

Leveret af Chinese Academy of Sciences