Een nieuwe fabricagetechniek brengt transitiemetaal-telluride nanosheets van laboratorium naar massaproductie

Overgangsmetaaltelluride-nanoplaten hebben een enorme belofte getoond voor fundamenteel onderzoek en andere toepassingen op een regenboog van verschillende terreinen, maar tot nu toe was massaproductie onmogelijk, waardoor het materiaal eerder een laboratoriumnieuwsgierigheid was dan een industriële realiteit.

Maar een team van onderzoekers heeft onlangs een nieuwe fabricagetechniek ontwikkeld – het gebruik van chemische oplossingen om dunne lagen van hun moederverbindingen af ​​te pellen, waardoor atomair dunne vellen ontstaan ​​– die de belofte van de ultradunne stof eindelijk lijkt te kunnen waarmaken.

De onderzoekers beschrijven hun fabricagetechniek in een onderzoek gepubliceerd in Natuur.

In de wereld van ultradunne of ‘tweedimensionale’ materialen – materialen die slechts één enkele laag atomen bevatten – hebben transitiemetaaltelluride (TMT) nanosheets de afgelopen jaren grote opwinding veroorzaakt onder scheikundigen en materiaalwetenschappers vanwege hun bijzonder ongebruikelijke eigenschappen. .

Deze verbindingen, gemaakt van tellurium en een van de elementen in het ‘midden’ van het periodiek systeem (groepen 3-12), genieten een reeks toestanden van semi-metaalachtig tot halfgeleidend, isolerend en supergeleidend en zelfs meer exotische toestanden, zoals evenals magnetische en unieke katalytische activiteit.

Deze eigenschappen bieden een scala aan potentiële toepassingen op het gebied van elektronica, energieopslag, katalyse en detectie. In het bijzonder worden TMT-nanosheets onderzocht als nieuwe elektrodematerialen in batterijen en supercondensatoren – essentieel voor de schone transitie – vanwege hun hoge geleidbaarheid en grote oppervlakte.

TMT-nanosheets kunnen ook worden gebruikt als elektrokatalysatoren voor lithium-zuurstofbatterijen, waardoor hun efficiëntie en prestaties worden verbeterd. Andere potentiële toepassingen in opkomende technologieën zijn onder meer fotovoltaïsche en thermo-elektrische energie, waterstofproductie en filtratie en scheiding. Er is zelfs ontdekt dat ze interessante kwantumverschijnselen vertonen, zoals kwantumoscillaties en gigantische magnetoweerstand.

“De lijst van industrieën die aanzienlijke efficiëntieverbeteringen zouden ondervinden als gevolg van de massaproductie van TMT-nanosheets is extreem lang”, zegt teamleider WU Zhong-Shuai, een scheikundige bij het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP), van de Chinese Academie van Wetenschappen. “Dit is de reden waarom dit 2D-materiaal potentieel zo spannend is.”

Helaas, ondanks verschillende pogingen tot exfoliatie van hoogwaardige TMT-nanosheets, blijft het behouden van een hoge kristalliniteit terwijl het bereiken van een grote nanosheetgrootte en ultradunne kenmerken een aanzienlijke uitdaging. De tot nu toe bedachte methoden zijn niet schaalbaar vanwege de lange verwerkingstijden. Ze hebben ook vaak giftige chemicaliën nodig. De eigenschappen van TMT-nanosheets zijn dus een interessant laboratoriumfenomeen gebleven dat de sprong naar massaproductie en industriële toepassing niet helemaal kan maken.

Het team heeft dit probleem uiteindelijk opgelost via een vereenvoudigd proces van lithiatie, hydrolyse en ten slotte de exfoliatie van nanosheets.

Eerst werd een grote hoeveelheid metaaltelluridekristallen bereid met behulp van chemisch damptransport – een methode die in de chemie vaak wordt gebruikt om vaste verbindingen van de ene locatie naar de andere te transporteren met behulp van een draaggas. Wanneer het reactievat wordt verwarmd, verdampt het transportmiddel en neemt de vaste verbinding als damp mee.

De damp beweegt door het reactievat en kan een koeler oppervlak tegenkomen, waar de verbinding zich kan afzetten en kristallen kan vormen. Dit maakt de gecontroleerde groei van kristallen of zeer dunne films van de gewenste verbinding mogelijk. In dit geval worden de bereide telluridekristallen vervolgens gemengd met lithiumboorhydride. Dit proces omvat het plaatsen van lithiumionen tussen de lagen van de metaaltelluridekristallen, wat leidt tot de vorming van een tussenliggende, ‘gelithieerde’ verbinding.

De gelithieerde tussenverbinding wordt vervolgens snel doordrenkt met water, wat resulteert in “exfoliatie” of het binnen enkele seconden strippen van de gelithieerde metaaltelluridekristallen tot nanoplaten.

Ten slotte worden de geëxfolieerde metaaltelluride nanosheets verzameld en gekarakteriseerd op basis van hun vorm en grootte, waardoor ze verder kunnen worden verwerkt tot verschillende vormen, zoals films, inkten en composieten, afhankelijk van de gewenste toepassing.

Het hele proces duurt slechts tien minuten voor de lithiering en seconden voor de hydrolyse. De techniek is in staat om hoogwaardige TMT-nanosheets van verschillende gewenste diktes te produceren met zeer hoge opbrengsten.

Bij het testen van de nanosheets ontdekten de onderzoekers dat hun ladingsopslag, hoge capaciteit en stabiliteit ze veelbelovend maakten voor toepassingen in lithiumbatterijen en micro-supercondensatoren.

Ze zijn van mening dat hun techniek in wezen klaar is voor commercialisering, maar ze willen ook verder onderzoek doen om de eigenschappen en het gedrag van hun nanosheets te karakteriseren, en de lithiatie- en exfoliatiefasen verder verfijnen en optimaliseren.