I dicalcogenuri di metalli di transizione (TMD) bidimensionali (2D), una classe emergente di materiali che possono essere utilizzati come semiconduttori e isolanti, hanno un potenziale promettente in varie applicazioni grazie alle loro proprietà uniche. Ma la produzione affidabile di questi materiali 2D atomicamente sottili è stata impegnativa. Un team di ricerca guidato da uno scienziato dei materiali della City University di Hong Kong (CityU) ha sviluppato un metodo di esfoliazione elettrochimica efficiente per ottenere una produzione ad alto rendimento di nanosheet TMD. Questa nuova strategia stabilisce una nuova direzione per la produzione di massa di nanosheet TMD per un'ampia applicazione in futuro.

Il gruppo di ricerca è stato guidato dal dottor Zeng Zhiyuan, assistente professore presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali (MSE) di CityU, in collaborazione con scienziati dell'Università di Montpellier e dell'Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan (UNIST). I loro risultati sono stati pubblicati sulla rivista accademica Nature Protocols , con il titolo "Produzione ad alto rendimento di nanofogli di dicalcogenuro di metalli di transizione a uno o pochi strati mediante un metodo di esfoliazione elettrochimico basato sull'intercalazione di ioni di litio".

Un metodo semplice che offre un livello di controllo più elevato

In precedenza, i nanosheet TMD possono essere prodotti con un metodo chimico chiamato esfoliazione basata sull'intercalazione degli ioni di litio. Per intercalazione si intende l'inserimento di una molecola o di uno ione in materiali che hanno strutture stratificate. Se ogni strato è intercalato con ioni di litio, i materiali con monostrati verranno prodotti dopo sonicazione ed esfoliazione ad ultrasuoni; se solo parti degli strati sono intercalate con gli ioni di litio, il risultato saranno prodotti a due o pochi strati.

Tuttavia, questo metodo chimico tradizionale deve essere eseguito a una temperatura relativamente alta fino a 100 °C e per molto tempo, alcuni possono richiedere tre giorni. Ancora più importante, è difficile controllare la quantità di inserimento del litio.

Per superare le sfide di cui sopra, il dott. Zeng e il suo team hanno adottato un approccio elettrochimico per sintetizzare i nanosheet inorganici a uno o pochi strati. "Il metodo che abbiamo sviluppato è relativamente semplice e diretto e offre un grado di controllo più elevato in condizioni miti. Utilizzando il nostro metodo, la preparazione ad alto rendimento di nanosheet TMD monostrato può essere facilmente condotta a temperatura ambiente di circa 25 ℃ entro 26 ore, " disse il dottor Zeng.

Il loro metodo di esfoliazione elettrochimico basato sull'intercalazione degli ioni di litio prevede tre semplici passaggi:l'intercalazione elettrochimica degli ioni di litio in materiali sfusi stratificati, seguita da un lieve processo di sonicazione a ultrasuoni in acqua deionizzata o etanolo per 5-10 minuti e, infine, esfoliare e centrifugare per ottenere i nanosheet 2D purificati.

Il Dr. Zeng ha sottolineato che usando il loro metodo, la quantità di intercalazione del litio può essere controllata efficacemente regolando la tensione di taglio. "Questa caratteristica superiore può far fermare il processo di intercalazione del litio a una quantità di litio appropriata", ha aggiunto.

Produzione ad alto rendimento di nanosheet TMD monostrato

Il Dr. Zeng ha evidenziato i quattro vantaggi di questo approccio elettrochimico. In primo luogo, si ottiene un'elevata resa di TMD monostrato. Prendendo MoS2 e TaS2, due tipi di TMD che hanno studiato, ad esempio, tra i nanosheet 2D preparati con questo metodo, oltre il 90% di essi (92% per MoS2 e 93% per TaS2) erano a strato singolo, mentre il resto degli 8 % e 7% erano doppi strati, tristrati o anche multistrati.

In secondo luogo, potrebbero fabbricare nanosheet TMD monostrato di grandi dimensioni laterali. La dimensione laterale del monostrato MoS2 che il team ha ottenuto con questo metodo di preparazione può raggiungere i 3 μm.

In terzo luogo, la loro procedura è scalabile. Il team ritiene che sia possibile aumentare ulteriormente la produzione di nanosheet TMD monostrato per applicazioni industriali aumentando la quantità di TMD sfuso da milligrammi (mg) a grammi (g) o addirittura tonnellate. Infine, i loro nanosheet TMD sono elaborabili e stampabili. Potrebbero essere ampiamente e uniformemente dispersi in soluzione acquosa senza aggiungere un tensioattivo e potrebbero essere utilizzati come inchiostro nella tecnologia di stampa.

Nanosheet TMD con ampia applicazione

"Il nostro metodo è una strategia matura, efficiente e promettente per la produzione ad alto rendimento di nanosheet TMD a uno o pochi strati", ha concluso il dott. Zeng, che ha studiato la produzione di massa di materiali TMD 2D per oltre 10 anni.

Il team credeva che il loro metodo per la produzione di massa e ad alto rendimento di nanosheet TMD a uno o pochi strati avrebbe aperto una nuova direzione per la ricerca di base e applicata, attirando l'attenzione sia del mondo accademico che dell'industria. "I nanosheet TMD preparati con questo metodo potrebbero essere ampiamente applicati in vari campi come rilevamento di gas, dispositivi di memoria, rilevamento di biomolecole, evoluzione elettrocatalitica dell'idrogeno, diodi emettitori di luce e batteria agli ioni di litio", ha aggiunto.

Il dottor Zeng, il dottor Damien Voiry dell'Università di Montpellier e il professor Hyeon Suk Shin dell'Istituto nazionale di scienza e tecnologia di Ulsan sono gli autori corrispondenti dell'articolo. I primi autori sono il signor Yang Ruijie (ex membro del team del gruppo CityU del Dr. Zeng), il signor Mei Liang e il signor Zhang Qingyong, entrambi dottorandi. candidati sotto la supervisione del Dr. Zeng. Alla ricerca ha partecipato anche la signorina Fan Yingying (un ex membro del team). + Esplora ulteriormente

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