2022-04-21 15:10

高效电化学插层制备TMD纳米片的方法

An efficient electrochemical intercalation method for high-yield production of TMD nanosheets

二维过渡金属二卤族化合物(tmd)是一类可作为半导体和绝缘体的新型材料,由于其独特的性能,具有广阔的应用前景。但是,要可靠地生产这些原子般薄的二维材料一直是一个挑战。由香港城市大学(CityU)材料科学家带领的研究小组,已开发出一种高效的电化学剥落方法,以获得高产量的TMD纳米片。这一新策略为TMD纳米片的大规模生产及未来的广泛应用开辟了新的方向。

该研究小组由香港城市大学材料科学与工程系助理教授曾志远博士带领,并与美国蒙彼利埃大学和蔚山国立科学技术研究所的科学家合作。他们的研究结果发表在学术期刊《自然协议》(Nature Protocols)上,标题为“利用电化学锂离子插层剥离法高产出单层或少层过渡金属二卤族纳米片”。

一个简单的方法,提供更高程度的控制

以前,TMD纳米片可以通过一种叫做锂离子插层剥离的化学方法来生产。插层是指将分子或离子插入具有层状结构的材料中。如果每一层都插有锂离子,那么超声超声剥离后就会产生单层的材料;如果只有部分层插入了锂离子,那么结果将是双层或少层产品。

An efficient electrochemical intercalation method for high-yield production of TMD nanosheets利用该电池测试系统,可以测定层状材料中嵌入锂离子的量 通过调节截止电压有效控制。信贷: 自然的协议(2022)。DOI: 10.1038 / s41596 - 021 - 00643 - w

然而,这种传统的化学方法需要在相对较高的温度下进行,最高可达100°C,时间较长,有的可能需要3天。更重要的是,锂插入量难以控制。

为了克服上述挑战,曾博士和他的团队采用了电化学方法合成单层或少层无机纳米片。“我们开发的方法相对简单和直接,在温和的条件下,它提供了更高的控制程度。利用我们的方法,可以在室温25℃左右的条件下,在26小时内轻松地完成单层TMD纳米片的高产率制备。”

其电化学锂离子intercalation-based剥离方法包括三个简单步骤:电化学锂离子插入到分层的散装材料,紧随其后的是一个温和的去离子水超声波声波降解法过程或乙醇5到10分钟,最后,片状剥落和离心纯化2 d nanosheets。

曾博士指出,使用他们的方法,可以通过调节截止电压有效地控制锂的嵌入量。他补充说:“这种优越的功能可以使锂嵌层过程在适当的锂量时停止。”

An efficient electrochemical intercalation method for high-yield production of TMD nanosheets剥落的MoS2纳米片图像。二硫化钨b。c, TiS2。d, TaS2。e, BN。f, NbSe2。用这种方法成功地制备了单层和多层无机纳米片。信贷: 自然的协议(2022)。DOI: 10.1038 / s41596 - 021 - 00643 - w

高产生产钼nolayer TMD nanosheets

曾博士强调了这种电化学方法的四个优点。首先,获得了较高的单分子层TMD产率。以他们研究的MoS2和TaS2两种tmd为例,用该方法制备的二维纳米片中,单层的占90%以上(MoS2 92%, TaS2 93%),而双层、三层甚至多层的占8%和7%。

其次,他们可以制造出横向尺寸较大的单层TMD纳米片。利用该方法制备的MoS2单层的横向尺寸可达3 μm。

第三,他们的程序是可扩展的。该团队认为,通过将TMD的体积量从毫克(mg)增加到克(g)甚至吨,可以进一步扩大单层TMD纳米片的工业广州捐卵应用规模。最后,他们的TMD纳米片是可解决处理和可打印的。在不添加表面活性剂的情况下,可广泛均匀地分散在水溶液中,可作为印刷油墨使用。

An efficient electrochemical intercalation method for high-yield production of TMD nanosheets该团队获得的TMD纳米片是可溶液处理和可打印的。信贷: 自然的协议(2022)。DOI: 10.1038 / s41596 - 021 - 00643 - w

应用广泛的TMD纳米片

曾博士总结道:“我们的方法是一种成熟、高效和有前景的策略,可用于高产量生产单层或少层TMD纳米片。”曾博士研究二维TMD材料的大规模生产已有10多年。

该团队认为,他们的高产量和批量生产单层或少层TMD纳米片的方法将为基础和应用研究开辟一个新的方向,引起学术界和工业界的关注。他补充说:“用这种方法制备的TMD纳米片可以广泛应用于各种领域,如气敏、存储设备、生物分子检测、电催化析氢、发光二极管和锂离子电池。”

曾教授、蒙彼利埃大学教授达米恩•沃里(Damien Voiry)、蔚山科学技术院教授申铉锡(音)是该论文的通讯作者。第一作者杨瑞杰(曾博士所在城市大学团队前成员)、梅亮、张庆勇均为曾博士指导的博士生。范莹莹(前团队成员)也参与了这项研究。