Nuevo método para la producción en masa de nanoláminas TMD

Nuevo método para la producción en masa de nanoláminas TMD


Un grupo emergente de materiales conocidos como dicalcogenuros de metales de transición (TMD) bidimensionales (2D), que se pueden utilizar como aislantes y semiconductores, tienen un potencial favorable para numerosas aplicaciones debido a sus propiedades excepcionales.

Nuevo proceso de intercalación electroquímica para la producción en masa de nanoláminas TMD.
Representaciones esquemáticas del proceso de exfoliación electroquímica basado en la intercalación de iones de litio. Créditos fotográficos: Yang, R., Mei, L., Zhang, Q. et al. / Número DOI: 10.1038/s41596-021-00643-w.

Sin embargo, la fabricación consistente de estos materiales 2D atómicamente delgados ha sido difícil. Un grupo de investigación dirigido por un científico de materiales de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha formulado una técnica de exfoliación electroquímica eficaz para lograr la fabricación de nanoláminas TMD de alto rendimiento.

Esta nueva técnica allana el camino para la producción en masa de nanoláminas TMD para una variedad de aplicaciones futuras.

El grupo de investigación estuvo dirigido por el Dr. Zeng Zhiyuan, profesor asistente en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales (MSE) de CityU, en colaboración con investigadores de la Universidad de Montpellier y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST).

Sus hallazgos fueron publicados en la revista académica registros de la naturaleza.

Un método simple que ofrece un mayor nivel de control

Anteriormente, las nanoláminas TMD podían fabricarse utilizando una técnica química conocida como exfoliación basada en intercalación de iones de litio. La intercalación se puede definir como la inserción de un ion o molécula en materiales que incluyen estructuras en capas.

Cuando todas las capas se intercalan con iones de litio, los materiales monocapa se preparan después de la sonicación y la exfoliación; si partes de las capas se intercalan con iones de litio, se obtendrán productos bicapa o multicapa.

Sin embargo, esta técnica química tradicional debe realizarse a una temperatura comparativamente alta de hasta 100 °C y durante un período de tiempo más largo, algunos pueden requerir 3 días. En particular, es difícil controlar la cantidad de inserción de litio.

Para resolver los desafíos anteriores, el Dr. Zeng y su grupo desarrollaron un método electroquímico para sintetizar nanoláminas inorgánicas de una o varias capas.

El método que desarrollamos es relativamente simple y directo, y ofrece un mayor nivel de control en condiciones suaves. Con nuestro método, la fabricación de nanoláminas TMD monocapa con alto rendimiento se puede realizar fácilmente a temperatura ambiente alrededor de 25 °C en 26 horas.

dr. Zeng Zhiyuan, Profesor Asistente, Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de la Ciudad de Hong Kong

Su técnica de pelado basada en la intercalación electroquímica de iones de litio requiere tres pasos simples: primero, la intercalación electroquímica de los iones de litio en materiales a granel en capas, seguido de un proceso de sonicación ultrasónica suave en agua desionizada o etanol durante 5 a 10 minutos, y finalmente el pelado. y centrifugación para obtener las nanoláminas 2D desinfectadas.

dr. Zeng señaló que su técnica puede regular efectivamente la cantidad de intercalación de litio ajustando el voltaje de corte.

Esta característica superior puede hacer que el proceso de intercalación de litio se detenga en una cantidad adecuada de litio.

dr. Zeng Zhiyuan, Profesor Asistente, Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de la Ciudad de Hong Kong

Producción de alto rendimiento de nanoláminas TMD de una sola capa

dr. Zeng enfatizó las cuatro ventajas de este método electroquímico. En primer lugar, se realiza una alta producción de TMD monocapa. tomar TaS2 y MoS2dos tipos de TMD que examinaron como ejemplos entre las nanoplacas 2D fabricadas con esta técnica, más del 90 % de ellas (92 % para MoS2 y 93% para TaS2) eran de una sola capa, mientras que el 8 % y el 7 % restantes eran de tres capas, de dos capas o incluso de varias capas.

En segundo lugar, pudieron fabricar nanoláminas TMD de una sola capa con un gran tamaño lateral. El tamaño lateral del MoS2 Con esta técnica de preparación, los investigadores consiguen monocapas de hasta 3 μm.

En tercer lugar, su proceso es escalable. Los investigadores creen que se puede lograr una ampliación adicional de la fabricación de nanohojas de TMD de una sola capa para aplicaciones industriales aumentando la cantidad de masa de TMD de miligramos (mg) a gramos (g) o incluso toneladas.

Finalmente, sus nanoláminas TMD son imprimibles y procesables en solución. Pueden dispersarse uniformemente sobre un área grande en una solución acuosa sin la incorporación de un tensioactivo y usarse como tinta en la tecnología de impresión.

Nanohojas TMD con amplia aplicación

«Nuestro método es una estrategia madura, eficiente y prometedora para la producción de alto rendimiento de nanoláminas TMD de una o varias capas». explicó la Dra. Zeng, que se ha dedicado a la producción en masa de materiales 2D TMD durante más de 10 años.

Los investigadores afirmaron que su técnica para producir en masa nanoláminas TMD de una o varias capas con alto rendimiento allanaría el camino para un nuevo curso en investigación básica y aplicada y atraería la atención de la academia y la industria.

Las nanoláminas TMD fabricadas por este método podrían usarse en varios campos, como la detección de gases, dispositivos de memoria, detección de biomoléculas, evolución electrocatalítica de hidrógeno, diodos emisores de luz y baterías de iones de litio.

dr. Zeng Zhiyuan, Profesor Asistente, Instituto de Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de la Ciudad de Hong Kong

Los autores correspondientes del estudio son el Dr. Zeng y el Dr. Damien Voiry de la Universidad de Montpellier y el profesor Hyeon Suk Shin del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan.

Los primeros autores son Yang Ruijie (ex miembro del equipo del grupo CityU del Dr. Zeng), Mei Liang y Zhang Qingyong, ambos Ph.D. estudiantes del dr. Lideró Zeng. La Sra. Fan Yingying (ex integrante del equipo) también participó en el estudio.

El estudio fue financiado por CityU, la Comisión de Innovación Científica y Tecnológica de Shenzhen, el Consejo de Becas de Investigación de Hong Kong y la Fundación Nacional de Investigación de Corea.

Referencia de la revista:

yang, r. y otros. (2022) Producción de alto rendimiento de nanoláminas de dicalcogenuro de metal de transición de una o varias capas mediante un método de pelado electroquímico basado en intercalación de iones de litio. registros de la naturaleza. doi.org/10.1038/s41596-021-00643-w.

Fuente: https://www.cityu.edu.hk/

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