Een efficiënte elektrochemische intercalatiemethode voor de productie van TMD-nanobladen met hoog rendement

Tweedimensionale (2D) overgangsmetaal dichalcogeniden (TMD’s), een opkomende klasse van materialen die kunnen worden gebruikt als halfgeleiders en isolatoren, hebben veelbelovend potentieel in verschillende toepassingen vanwege hun unieke eigenschappen. Maar de betrouwbare productie van deze atomair dunne 2D-materialen was een uitdaging. Een onderzoeksteam onder leiding van een materiaalwetenschapper van de City University of Hong Kong (CityU) heeft een efficiënte elektrochemische exfoliatiemethode ontwikkeld om een ​​hoogrenderende productie van TMD-nanobladen te bereiken. Deze nieuwe strategie geeft een nieuwe richting aan voor massaproductie van TMD-nanobladen voor brede toepassing in de toekomst.

Het onderzoeksteam werd geleid door Dr. Zeng Zhiyuan, assistent-professor aan de afdeling Materials Science and Engineering (MSE) van CityU, in samenwerking met wetenschappers van de Universiteit van Montpellier en het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST). Hun bevindingen zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuurprotocollenonder de titel “High-yield productie van mono- of enkele laag overgangsmetaal dichalcogenide nanosheets door een elektrochemische lithium-ion intercalatie-gebaseerde exfoliatiemethode.”

Een eenvoudige methode die een hogere mate van controle biedt

Voorheen konden TMD-nanosheets worden geproduceerd met een chemische methode die op lithium-ion-intercalatie gebaseerde exfoliatie wordt genoemd. Intercalatie betekent het inbrengen van een molecuul of ion in materialen met gelaagde structuren. Als elke laag is geïntercaleerd met lithiumionen, worden materialen met monolagen geproduceerd na ultrasone trillingen en afschilfering; als alleen delen van de lagen worden geïntercaleerd met lithiumionen, dan zal het resultaat twee- of weiniglaagse producten zijn.

Door dit batterijtestsysteem te gebruiken, kan de hoeveelheid geïntercaleerde lithiumionen in gelaagde materialen effectief worden gecontroleerd door de afsnijspanning af te stemmen. Credit: Natuurprotocollen (2022). DOI: 10.1038/s41596-021-00643-w

Deze traditionele chemische methode moet echter worden uitgevoerd bij een relatief hoge temperatuur tot 100 ° C en voor een lange tijd, sommige kunnen drie dagen duren. Wat nog belangrijker is, is dat het moeilijk is om de hoeveelheid lithium-insertie te regelen.

Om de bovenstaande uitdagingen te overwinnen, hebben Dr. Zeng en zijn team een ​​elektrochemische benadering aangenomen om de mono- of enkele laag anorganische nanosheets te synthetiseren. “De methode die we hebben ontwikkeld is relatief eenvoudig en ongecompliceerd, en biedt een hogere mate van controle onder milde omstandigheden. Met behulp van onze methode kan een hoogrenderende bereiding van monolaag TMD-nanobladen gemakkelijk worden uitgevoerd bij kamertemperatuur van ongeveer 25 ℃ binnen 26 uur, ” zei dr. Zeng.

Hun op elektrochemische lithiumion-intercalatie gebaseerde exfoliatiemethode omvat drie eenvoudige stappen: elektrochemische intercalatie van lithiumion in gelaagde bulkmaterialen, gevolgd door een mild ultrasoonapparaatproces in gedeïoniseerd water of ethanol gedurende 5 tot 10 minuten, en ten slotte exfoliëren en gecentrifugeerd om de gezuiverde 2D nanosheets.

Dr. Zeng wees erop dat met behulp van hun methode de hoeveelheid lithium-intercalatie effectief kan worden gecontroleerd door de afsnijspanning af te stemmen. “Deze superieure functie kan ervoor zorgen dat het lithium-intercalatieproces stopt bij een geschikte hoeveelheid lithium”, voegde hij eraan toe.

Afbeeldingen van de geëxfolieerde nanosheets van a, MoS2. b, WS2. c, TiS2. d, TaS2. e, BN. f, NbSe2. Met deze methode werden met succes mono- en enkellaagse anorganische nanosheets geproduceerd. Credit: Natuurprotocollen (2022). DOI: 10.1038/s41596-021-00643-w

High-yield productie van monolaag TMD nanosheets

Dr. Zeng benadrukte de vier voordelen van deze elektrochemische benadering. Ten eerste wordt een hoge opbrengst aan monolaag TMD bereikt. Met MoS2 en TaS2, twee soorten TMD’s die ze als voorbeelden bestudeerden, van de 2D-nanobladen die met deze methode waren bereid, was meer dan 90% daarvan (92% voor MoS2 en 93% voor TaS2) uit één laag, terwijl de rest van de 8 % en 7% waren dubbele lagen, drie lagen of zelfs meerdere lagen.

Ten tweede zouden ze monolaag TMD-nanobladen in een grote laterale afmeting kunnen fabriceren. De laterale grootte van de MoS2-monolaag die het team met deze voorbereidingsmethode heeft verkregen, kan 3 m bereiken.

Ten derde is hun procedure schaalbaar. Het team is van mening dat een verdere opschaling van de productie van monolaagse TMD-nanobladen voor industriële toepassingen kan worden gerealiseerd door de bulk-TMD-hoeveelheid te verhogen van milligram (mg) naar gram (g) of zelfs tonnen. En ten slotte zijn hun TMD-nanobladen in oplossing verwerkbaar en afdrukbaar. Ze kunnen breed en gelijkmatig in een waterige oplossing worden gedispergeerd zonder een oppervlakteactieve stof toe te voegen, en kunnen worden gebruikt als inkt in de druktechnologie.

TMD-nanobladen die het team heeft verkregen, zijn in oplossing verwerkbaar en afdrukbaar. Credit: Natuurprotocollen (2022). DOI: 10.1038/s41596-021-00643-w

TMD nanosheets met brede toepassing

“Onze methode is een volwassen, efficiënte en veelbelovende strategie voor de productie van mono- of weiniglaagse TMD-nanobladen met een hoog rendement”, concludeerde Dr. Zeng, die al meer dan 10 jaar de massaproductie van 2D TMD-materialen heeft bestudeerd.

Het team was van mening dat hun methode voor hoogrendement- en massaproductie van mono- of enkele laags TMD-nanobladen een nieuwe richting zou openen voor fundamenteel en toegepast onderzoek, en de aandacht zou trekken van zowel de academische wereld als de industrie. “De TMD-nanobladen die met deze methode zijn gemaakt, kunnen op grote schaal worden toegepast op verschillende gebieden, zoals gasdetectie, geheugenapparaten, detectie van biomoleculen, elektrokatalytische waterstofontwikkeling, lichtgevende diodes en lithium-ionbatterijen”, voegde hij eraan toe.

Dr. Zeng, Dr. Damien Voiry van de Universiteit van Montpellier en professor Hyeon Suk Shin van het Ulsan National Institute of Science and Technology zijn de corresponderende auteurs van het artikel. De eerste auteurs zijn dhr. Yang Ruijie (voormalig teamlid van Dr. Zeng’s CityU Group), dhr. Mei Liang en dhr. Zhang Qingyong, beiden zijn Ph.D. kandidaten begeleid door Dr. Zeng. Ook mevrouw Fan Yingying (een voormalig teamlid) deed mee aan het onderzoek.