Eine effiziente elektrochemische Interkalationsmethode für die Produktion von TMD-Nanoblättern in hoher Ausbeute

Zweidimensionale (2D) Übergangsmetalldichalkogenide (TMDs), eine aufstrebende Klasse von Materialien, die als Halbleiter und Isolatoren verwendet werden können, haben aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften ein vielversprechendes Potenzial in verschiedenen Anwendungen. Die zuverlässige Produktion dieser atomar dünnen 2D-Materialien war jedoch eine Herausforderung. Ein Forschungsteam unter der Leitung eines Materialwissenschaftlers der City University of Hong Kong (CityU) hat ein effizientes elektrochemisches Peeling-Verfahren entwickelt, um eine hocheffiziente Produktion von TMD-Nanoblättern zu erreichen. Diese neue Strategie weist eine neue Richtung für die Massenproduktion von TMD-Nanoblättern für eine breite Anwendung in der Zukunft.

Das Forschungsteam wurde von Dr. Zeng Zhiyuan, Assistenzprofessor am Department of Materials Science and Engineering (MSE) der CityU, in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern der Universität Montpellier und des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) geleitet. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift veröffentlicht Naturprotokolleunter dem Titel „High-Yield Production of Mono- or Fear-Layer Transition Metal Dichalcogenide Nanosheets by a Electrochemical Lithium Ion Intercalation-Based Exfoliation Method“.

Eine einfache Methode, die ein höheres Maß an Kontrolle bietet

Zuvor konnten TMD-Nanoblätter durch ein chemisches Verfahren namens Lithiumionen-Interkalations-basierte Exfoliation hergestellt werden. Interkalation bedeutet das Einfügen eines Moleküls oder Ions in Materialien mit Schichtstrukturen. Wenn jede Schicht mit Lithiumionen interkaliert wird, werden Materialien mit Monoschichten nach Ultraschallbeschallung und Exfoliation hergestellt; werden nur Teile der Schichten mit Lithium-Ionen interkaliert, so entstehen zwei- oder mehrschichtige Produkte.

Dieses traditionelle chemische Verfahren muss jedoch bei einer relativ hohen Temperatur von bis zu 100 °C durchgeführt werden und dauert lange, einige können drei Tage dauern. Noch wichtiger ist, dass es schwierig ist, die Menge der Lithiuminsertion zu kontrollieren.

Um die oben genannten Herausforderungen zu bewältigen, haben Dr. Zeng und sein Team einen elektrochemischen Ansatz gewählt, um die ein- oder mehrschichtigen anorganischen Nanoblätter zu synthetisieren. „Die von uns entwickelte Methode ist relativ einfach und unkompliziert und bietet unter milden Bedingungen ein höheres Maß an Kontrolle. Mit unserer Methode kann die Herstellung von einschichtigen TMD-Nanoblättern mit hoher Ausbeute problemlos bei Raumtemperatur von etwa 25 ° C innerhalb von 26 Stunden durchgeführt werden. “, sagte Dr. Zeng.

Ihre auf elektrochemischer Lithium-Ionen-Interkalation basierende Peeling-Methode umfasst drei einfache Schritte: elektrochemische Interkalation von Lithium-Ionen in geschichtete Schüttgüter, gefolgt von einem milden Ultraschall-Beschallungsprozess in entionisiertem Wasser oder Ethanol für 5 bis 10 Minuten und schließlich Peeling und Zentrifugation, um zu erhalten die gereinigten 2D-Nanoplättchen.

Dr. Zeng wies darauf hin, dass mit ihrer Methode die Menge der Lithium-Interkalation durch Einstellen der Grenzspannung effektiv gesteuert werden kann. „Dieses überlegene Merkmal kann dazu führen, dass der Lithium-Interkalationsprozess bei einer geeigneten Lithiummenge stoppt“, fügte er hinzu.

Produktion von einlagigen TMD-Nanoblättern in hoher Ausbeute

Dr. Zeng hob die vier Vorteile dieses elektrochemischen Ansatzes hervor. Erstens wird eine hohe Ausbeute an Monolayer-TMD erzielt. Am Beispiel von MoS2 und TaS2, zwei Arten von TMDs, die sie untersuchten, waren über 90 % der mit dieser Methode hergestellten 2D-Nanoblätter (92 % für MoS2 und 93 % für TaS2) einschichtig, während der Rest der 8 % und 7 % waren zweilagig, dreilagig oder sogar mehrlagig.

Zweitens konnten sie einschichtige TMD-Nanoblätter in einer großen lateralen Größe herstellen. Die laterale Größe der MoS2-Monoschicht, die das Team mit dieser Präparationsmethode erhielt, kann 3 μm erreichen.

Drittens ist ihr Verfahren skalierbar. Das Team ist der Ansicht, dass eine weitere Aufskalierung der Produktion von einschichtigen TMD-Nanoblättern für industrielle Anwendungen realisiert werden kann, indem die TMD-Massenmenge von Milligramm (mg) auf Gramm (g) oder sogar Tonnen erhöht wird. Und schließlich sind ihre TMD-Nanoblätter in Lösung verarbeitbar und bedruckbar. Sie ließen sich ohne Tensidzusatz breit und gleichmäßig in wässriger Lösung verteilen und als Tinte in der Drucktechnik einsetzen.

TMD-Nanoblätter mit breiter Anwendung

„Unsere Methode ist eine ausgereifte, effiziente und vielversprechende Strategie für die Produktion von TMD-Nanoblättern mit einer oder mehreren Schichten in hoher Ausbeute“, schloss Dr. Zeng, der die Massenproduktion von 2D-TMD-Materialien seit über 10 Jahren untersucht.

Das Team war der Ansicht, dass ihre Methode zur Massenproduktion von ein- oder mehrschichtigen TMD-Nanoblättern mit hoher Ausbeute eine neue Richtung für die Grundlagen- und angewandte Forschung eröffnen und die Aufmerksamkeit sowohl der Wissenschaft als auch der Industrie auf sich ziehen würde. „Die mit dieser Methode hergestellten TMD‐Nanoblätter könnten in verschiedenen Bereichen wie Gassensorik, Speichergeräte, Nachweis von Biomolekülen, elektrokatalytische Wasserstoffentwicklung, Leuchtdioden und Lithiumionenbatterien breit angewendet werden“, fügte er hinzu.

Dr. Zeng, Dr. Damien Voiry von der Universität Montpellier und Professor Hyeon Suk Shin vom Ulsan National Institute of Science and Technology sind die korrespondierenden Autoren der Veröffentlichung. Die ersten Autoren sind Herr Yang Ruijie (ehemaliges Teammitglied der CityU-Gruppe von Dr. Zeng), Herr Mei Liang und Herr Zhang Qingyong, beide sind Ph.D. Kandidaten betreut von Dr. Zeng. Frau Fan Yingying (ein ehemaliges Teammitglied) nahm ebenfalls an der Untersuchung teil.