城大研究团队成功开发高效电化学插层法,能高产量制备TMD纳米薄片

 

二维(Two-dimensional, 2D)过渡金属二硫化物(transition metal dichalcogenides,简称TMDs)是一类可用作半导体和绝缘体的新兴材料,其独特的特性,令它具有潜力作不同的应用,但是要稳定地制备出这些薄至原子级的二维材料并不容易。由香港城市大学(城大)材料科学家领导的研究团队,成功开发出一种高效的电化学插层方法,能够高产量地制备TMD纳米薄片。此通用的策略为TMD纳米薄片的大规模生产开辟了新方向,以供未来作广泛应用。

该研究团队由城大材料科学及工程学系(MSE)的助理教授曾志远博士领导,并与来自法国蒙彼利埃大学(University of Montpellier)和韩国蔚山国立科学技术院(Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST)的研究人员合作。研究结果已发表于科学期刊《Nature Protocols》上,题为〈High-yield production of mono- or few-layer transition metal dichalcogenide nanosheets by an electrochemical lithium ion intercalation-based exfoliation method〉。

简单且更可控的崭新制备方法

过往,透过一种名为锂离子插层剥离(lithium ion intercalation-based exfoliation)的化学方法,可以制备出TMD纳米薄片。“插层”即是将分子或离子插入具有层状结构的材料之中。基本上,如果每层材料都插入锂离子,那么经过超声震荡剥离后,就可制备出单层的材料;而如果材料只有其中一些分层被嵌入锂离子,就会制备出结构为双层或数层的材料。

然而,这种传统的化学制备方法需要用于高达100°C的较高温度之中,而且需时较久,可能要三天才能制备出纳米薄片。更重要的是,此方法难以控制锂离子的嵌入量。

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团队研发出的电化学锂离子插层剥离方法只需三个步骤,就可制备出二维纳米薄片。(DOI number: 10.1038/s41596-021-00643-w)

为了克服上述困难,曾博士和他的团队采用一种电化学方法,以合成厚度为单层或数层的无机纳米薄片。曾博士说:“我们研发的这个方法相对简单直接,可在温和的条件下操作,而且更为可控。此方法可以在25℃左右的室温下,于26小时内轻松并高产量地制备出单层TMD纳米薄片。”

团队研发出的电化学锂离子插层剥离方法只需三个简单的步骤:先以电化学方法将锂离子嵌入块状材料的层与层之间,然后将材料放于去离子水(deionised water)或乙醇中进行5至10分钟的超声震荡处理,最后以离心分离的方式,取得纯化的二维纳米薄片。

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研究人员用这个电池测试系统调控截止电压,有效控制层状材料中锂离子的嵌入量。(DOI number: 10.1038/s41596-021-00643-w)

 

曾博士指出他们此方法能通过调控截止电压(cut-off voltage),有效控制锂离子的嵌入量。他补充说:“这种优越的特性令我们可以控制层状材料中锂离子的嵌入量,当份量适当,便可停止再嵌入锂离子。”

具有四大优势 高产量、薄片增阔度、可扩大生产、可打印制备

曾博士表示这种电化学方法有四大优势。首先,能高产量地制备出单层TMD纳米薄片。以团队研究的两种TMDs、即MoS2及TaS2为例,实验证明用这种方法制备的二维纳米薄片中,90%以上(MoS2为92%,TaS2为93%)为单层,其余的8%和7%为双层、三层,甚至多层。

其次,团队能制备出横向尺寸较阔的单层TMD纳米薄片。他们以此方法制备的MoS2单层纳米薄片的阔度可达3微米。

第三,这个制备方法的规模是可扩展的。团队相信只要将TMD的原料体积从毫克增加到克甚至是吨,就可以扩大生产单层的TMD纳米薄片,用作工业应用。第四,这些TMD纳米薄片可透过溶液加工而制备,而且可以“印刷”出来。在无需添加表面活性剂的情况下,纳米薄片仍然可以均匀地分散在水溶液之中,更可结合印刷技术中,当作油墨般打印制备。

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不同材料剥离出的纳米薄片图像:a)MoS2;b)WS2;c)TiS2;d)TaS2;e)BN;f)NbSe2。实验证实团队的电化学方法能制备出单层及数层的TMD纳米薄片。(DOI number: 10.1038/s41596-021-00643-w)
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团队制备的TMD纳米薄片可透过溶液加工而制备,而且可以“印刷”出来。(DOI number: 10.1038/s41596-021-00643-w)

多用途的TMD纳米薄片,可广泛应用于各个领域

钻研如何大规模生产2D TMD材料已逾10年的曾博士总结道:“我们的方法是一种成熟、有效和具前景的策略,可高产量地制备出结构为单层或数层的TMD纳米薄片。”

团队相信,这种单层或数层TMD纳米薄片的高产量制备方法,将为基础和应用研究开辟出新方向,引起学术界和工业界的关注。曾博士补充说:“通过此方法制备的TMD纳米薄片,可以广泛应用于气体传感、存储器件、生物分子检测、电催化析氢(electrocatalytic hydrogen evolution)、发光二极管和锂离子电池等各个领域。”

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城大材料科学及工程学系助理教授曾志远博士。

曾博士、来自法国蒙彼利埃大学的Damien Voiry博士和来自韩国蔚山国立科学技术院的Hyeon Suk Shin教授是该论文的通讯作者。第一作者是曾博士的城大课题组成员杨锐捷和由曾博士指导的博士候选人梅亮张青勇。另外,前团队成员范莹莹亦有参与研究。

研究获得香港城大、香港研究资助局、深圳市科技创新委员会和韩国国家研究基金会的资助而进行。

DOI number: 10.1038/s41596-021-00643-w

本文于 “香港城大研创” 微信公众号发布。
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