Une méthode d’intercalation électrochimique efficace pour la production à haut rendement de nanofeuilles de TMD

Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) bidimensionnels (2D), une classe émergente de matériaux pouvant être utilisés comme semi-conducteurs et isolants, ont un potentiel prometteur dans diverses applications en raison de leurs propriétés uniques. Mais la production fiable de ces matériaux 2D atomiquement minces a été difficile. Une équipe de recherche dirigée par un spécialiste des matériaux de la City University of Hong Kong (CityU) a mis au point une méthode d’exfoliation électrochimique efficace pour obtenir une production à haut rendement de nanofeuilles de TMD. Cette nouvelle stratégie établit une nouvelle direction pour la production de masse de nanofeuilles TMD pour une large application à l’avenir.

L’équipe de recherche était dirigée par le Dr Zeng Zhiyuan, professeur adjoint au Département de science et d’ingénierie des matériaux (MSE) de CityU, en collaboration avec des scientifiques de l’Université de Montpellier et de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan (UNIST). Leurs conclusions ont été publiées dans la revue académique Protocoles Naturesous le titre « Production à haut rendement de nanofeuilles de dichalcogénure de métal de transition mono- ou peu couches par une méthode d’exfoliation électrochimique basée sur l’intercalation d’ions lithium ».

Une méthode simple qui offre un degré de contrôle plus élevé

Auparavant, les nanofeuilles de TMD pouvaient être produites par une méthode chimique appelée exfoliation à base d’intercalation d’ions lithium. L’intercalation signifie l’insertion d’une molécule ou d’un ion dans des matériaux qui ont des structures en couches. Si chaque couche est intercalée avec des ions lithium, des matériaux avec des monocouches seront produits après sonication et exfoliation par ultrasons; si seules des parties des couches sont intercalées avec des ions lithium, alors le résultat sera des produits à deux ou à quelques couches.

Cependant, cette méthode chimique traditionnelle doit être réalisée à une température relativement élevée jusqu’à 100 °C et pendant une longue période, certaines pouvant prendre trois jours. Plus important encore, il est difficile de contrôler la quantité d’insertion de lithium.

Pour surmonter les défis ci-dessus, le Dr Zeng et son équipe ont adopté une approche électrochimique pour synthétiser les nanofeuilles inorganiques à une ou quelques couches. « La méthode que nous avons développée est relativement simple et directe, et elle offre un degré de contrôle plus élevé dans des conditions douces. En utilisant notre méthode, la préparation à haut rendement de nanofeuilles TMD monocouches peut être facilement réalisée à température ambiante d’environ 25 ℃ en 26 heures,  » a déclaré le Dr Zeng.

Leur méthode d’exfoliation électrochimique basée sur l’intercalation des ions lithium implique trois étapes simples : l’intercalation électrochimique des ions lithium dans des matériaux en vrac en couches, suivie d’un processus de sonication par ultrasons doux dans de l’eau déionisée ou de l’éthanol pendant 5 à 10 minutes, et enfin, exfoliation et centrifugation pour obtenir les nanofeuillets 2D purifiés.

Le Dr Zeng a souligné qu’en utilisant leur méthode, la quantité d’intercalation du lithium peut être contrôlée efficacement en ajustant la tension de coupure. « Cette caractéristique supérieure peut arrêter le processus d’intercalation du lithium à une quantité de lithium appropriée », a-t-il ajouté.

Production à haut rendement de nanofeuilles TMD monocouches

Le Dr Zeng a souligné les quatre avantages de cette approche électrochimique. Tout d’abord, un rendement élevé de TMD monocouche est atteint. En prenant MoS2 et TaS2, deux types de TMD qu’ils ont étudiés, à titre d’exemples, parmi les nanofeuillets 2D préparés avec cette méthode, plus de 90% d’entre eux (92% pour MoS2 et 93% pour TaS2) étaient monocouches, tandis que le reste des 8 % et 7 % étaient des doubles couches, des tricouches ou même des multicouches.

Deuxièmement, ils pourraient fabriquer des nanofeuilles TMD monocouches de grande taille latérale. La taille latérale de la monocouche de MoS2 que l’équipe a obtenue par cette méthode de préparation peut atteindre 3 μm.

Troisièmement, leur procédure est évolutive. L’équipe pense qu’une augmentation supplémentaire de la production de nanofeuilles de TMD monocouche pour les applications industrielles peut être réalisée en augmentant la quantité de TMD en vrac de milligrammes (mg) à grammes (g), voire à des tonnes. Et enfin, leurs nanofeuilles TMD sont traitables en solution et imprimables. Ils pourraient être dispersés largement et uniformément dans une solution aqueuse sans ajouter de tensioactif et pourraient être utilisés comme encre dans la technologie d’impression.

Nanofeuilles TMD avec une large application

« Notre méthode est une stratégie mature, efficace et prometteuse pour la production à haut rendement de nanofeuilles TMD monocouches ou à quelques couches », a conclu le Dr Zeng, qui étudie la production de masse de matériaux TMD 2D depuis plus de 10 ans.

L’équipe pensait que leur méthode de production à haut rendement et de masse de nanofeuilles TMD monocouches ou à quelques couches ouvrirait une nouvelle direction pour la recherche fondamentale et appliquée, attirant l’attention des universités et de l’industrie. « Les nanofeuilles TMD préparées par cette méthode pourraient être largement appliquées dans divers domaines tels que la détection de gaz, les dispositifs de mémoire, la détection de biomolécules, l’évolution électrocatalytique de l’hydrogène, les diodes électroluminescentes et les batteries lithium-ion », a-t-il ajouté.

Le Dr Zeng, le Dr Damien Voiry de l’Université de Montpellier et le professeur Hyeon Suk Shin de l’Institut national des sciences et technologies d’Ulsan sont les auteurs correspondants de l’article. Les premiers auteurs sont M. Yang Ruijie (ancien membre de l’équipe du groupe CityU du Dr Zeng), M. Mei Liang et M. Zhang Qingyong, tous deux titulaires d’un doctorat. candidats supervisés par le Dr Zeng. Mlle Fan Yingying (une ancienne membre de l’équipe) a également participé à la recherche.