Os dicalcogenetos de metais de transição (TMDs) bidimensionais (2D), uma classe emergente de materiais que podem ser usados ​​como semicondutores e isolantes, têm potencial promissor em várias aplicações devido às suas propriedades únicas. Mas a produção confiável desses materiais 2D atomicamente finos tem sido um desafio. Uma equipe de pesquisa liderada por um cientista de materiais da Universidade da Cidade de Hong Kong (CityU) desenvolveu um método de esfoliação eletroquímica eficiente para obter uma produção de alto rendimento de nanofolhas de TMD. Esta nova estratégia estabelece uma nova direção para a produção em massa de nanofolhas de TMD para ampla aplicação no futuro.
A equipe de pesquisa foi liderada pelo Dr. Zeng Zhiyuan, professor assistente do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais (MSE) da CityU, em colaboração com cientistas da Universidade de Montpellier e do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan (UNIST). Suas descobertas foram publicadas na revista acadêmica Nature Protocols , sob o título "Produção de alto rendimento de nanofolhas de dicalcogeneto de metal de transição de mono ou poucas camadas por um método de esfoliação baseado em intercalação de íons de lítio eletroquímico".

Um método simples que oferece um maior grau de controle

Anteriormente, as nanofolhas de TMD podem ser produzidas por um método químico chamado esfoliação baseada em intercalação de íons de lítio. Intercalação significa a inserção de uma molécula ou íon em materiais que possuem estruturas em camadas. Se cada camada for intercalada com íons de lítio, os materiais com monocamadas serão produzidos após sonicação e esfoliação por ultrassom; se apenas partes das camadas forem intercaladas com íons de lítio, o resultado será produtos de duas ou poucas camadas.

No entanto, esse método químico tradicional precisa ser realizado em uma temperatura relativamente alta de até 100 ° C e por um longo tempo, alguns podem levar três dias. Mais importante, é difícil controlar a quantidade de inserção de lítio.

Para superar os desafios acima, Dr. Zeng e sua equipe adotaram uma abordagem eletroquímica para sintetizar as nanofolhas inorgânicas de mono ou poucas camadas. "O método que desenvolvemos é relativamente simples e direto, e oferece um maior grau de controle sob condições suaves. Usando nosso método, a preparação de alto rendimento de nanofolhas TMD monocamada pode ser facilmente conduzida à temperatura ambiente de cerca de 25 ℃ em 26 horas, " disse o Dr. Zeng.

Seu método de esfoliação eletroquímica baseado em intercalação de íons de lítio envolve três etapas simples:intercalação eletroquímica de íons de lítio em materiais a granel em camadas, seguido por um processo de ultra-som suave em água deionizada ou etanol por 5 a 10 minutos e, por último, esfoliar e centrifugar para obter as nanofolhas 2D purificadas.

Dr. Zeng apontou que usando seu método, a quantidade de intercalação de lítio pode ser controlada de forma eficaz ajustando a tensão de corte. "Esta característica superior pode fazer com que o processo de intercalação de lítio pare em uma quantidade apropriada de lítio", acrescentou.

Produção de alto rendimento de nanofolhas TMD monocamada

Dr. Zeng destacou as quatro vantagens desta abordagem eletroquímica. Em primeiro lugar, um alto rendimento de TMD monocamada é alcançado. Tomando MoS2 e TaS2, dois tipos de TMDs que estudaram, como exemplos, entre as nanofolhas 2D preparadas com este método, mais de 90% delas (92% para MoS2 e 93% para TaS2) eram de camada única, enquanto o restante das 8 % e 7% eram camadas duplas, tricamadas ou mesmo multicamadas.

Em segundo lugar, eles poderiam fabricar nanofolhas TMD monocamada em um grande tamanho lateral. O tamanho lateral da monocamada de MoS2 que a equipe obteve por este método de preparação pode chegar a 3 μm.

Em terceiro lugar, seu procedimento é escalável. A equipe acredita que o aumento da produção de nanofolhas de TMD monocamada para aplicações industriais pode ser realizado aumentando a quantidade de TMD em massa de miligramas (mg) para gramas (g), ou mesmo toneladas. E, por último, suas nanofolhas TMD são processáveis ​​em solução e imprimíveis. Eles podem ser amplamente e uniformemente dispersos em solução aquosa sem adição de surfactante e podem ser usados ​​como tinta na tecnologia de impressão.

Nanofolhas TMD com ampla aplicação

"Nosso método é uma estratégia madura, eficiente e promissora para a produção de alto rendimento de nanofolhas de TMD mono ou de poucas camadas", concluiu o Dr. Zeng, que estudou a produção em massa de materiais 2D TMD por mais de 10 anos.

A equipe acreditava que seu método para produção em massa e de alto rendimento de nanofolhas de TMD de camada única ou de poucas camadas abriria uma nova direção para pesquisas básicas e aplicadas, atraindo a atenção da academia e da indústria. “As nanofolhas de TMD preparadas por este método podem ser amplamente aplicadas em vários campos, como detecção de gás, dispositivos de memória, detecção de biomoléculas, evolução eletrocatalítica de hidrogênio, diodos emissores de luz e bateria de íons de lítio”, acrescentou.

Dr. Zeng, Dr. Damien Voiry da Universidade de Montpellier, e Professor Hyeon Suk Shin do Instituto Nacional de Ciência e Tecnologia de Ulsan são os autores correspondentes do artigo. Os primeiros autores são o Sr. Yang Ruijie (ex-membro da equipe do Grupo CityU do Dr. Zeng), o Sr. Mei Liang e o Sr. Zhang Qingyong, ambos Ph.D. candidatos supervisionados pelo Dr. Zeng. Miss Fan Yingying (ex-integrante da equipe) também participou da pesquisa. + Explorar mais

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