城大研究團(tuán)隊成功開發(fā)高效電化學(xué)插層法，能高產(chǎn)量制備TMD納米薄片
二維（Two-dimensional, 2D）過渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenides，簡稱TMDs）是一類可用作半導(dǎo)體和絕緣體的新興材料，其獨特的特性，令它具有潛力作不同的應(yīng)用，但是要穩(wěn)定地制備出這些薄至原子級的二維材料并不容易。由香港城市大學(xué)（城大）材料科學(xué)家領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊，成功開發(fā)出一種高效的電化學(xué)插層方法，能夠高產(chǎn)量地制備TMD納米薄片。此通用的策略為TMD納米薄片的大規(guī)模生產(chǎn)開辟了新方向，以供未來作廣泛應(yīng)用。
該研究團(tuán)隊由城大材料科學(xué)及工程學(xué)系（MSE）的助理教授曾志遠(yuǎn)博士領(lǐng)導(dǎo)，并與來自法國蒙彼利埃大學(xué)（University of Montpellier）和韓國蔚山國立科學(xué)技術(shù)院（Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST）的研究人員合作。研究結(jié)果已發(fā)表于科學(xué)期刊《Nature Protocols》上，題為〈High-yield production of mono- or few-layer transition metal dichalcogenide nanosheets by an electrochemical lithium ion intercalation-based exfoliation method〉。
簡單且更可控的嶄新制備方法
過往，透過一種名為鋰離子插層剝離（lithium ion intercalation-based exfoliation）的化學(xué)方法，可以制備出TMD納米薄片。“插層”即是將分子或離子插入具有層狀結(jié)構(gòu)的材料之中。基本上，如果每層材料都插入鋰離子，那么經(jīng)過超聲震蕩剝離后，就可制備出單層的材料；而如果材料只有其中一些分層被嵌入鋰離子，就會制備出結(jié)構(gòu)為雙層或數(shù)層的材料。
然而，這種傳統(tǒng)的化學(xué)制備方法需要用于高達(dá)100°C的較高溫度之中，而且需時較久，可能要三天才能制備出納米薄片。更重要的是，此方法難以控制鋰離子的嵌入量。
為了克服上述困難，曾博士和他的團(tuán)隊采用一種電化學(xué)方法，以合成厚度為單層或數(shù)層的無機(jī)納米薄片。曾博士說：“我們研發(fā)的這個方法相對簡單直接，可在溫和的條件下操作，而且更為可控。此方法可以在25℃左右的室溫下，于26小時內(nèi)輕松并高產(chǎn)量地制備出單層TMD納米薄片。”
團(tuán)隊研發(fā)出的電化學(xué)鋰離子插層剝離方法只需三個簡單的步驟：先以電化學(xué)方法將鋰離子嵌入塊狀材料的層與層之間，然后將材料放于去離子水（deionised water）或乙醇中進(jìn)行5至10分鐘的超聲震蕩處理，最后以離心分離的方式，取得純化的二維納米薄片。
曾博士指出他們此方法能通過調(diào)控截止電壓（cut-off voltage），有效控制鋰離子的嵌入量。他補(bǔ)充說：“這種優(yōu)越的特性令我們可以控制層狀材料中鋰離子的嵌入量，當(dāng)份量適當(dāng)，便可停止再嵌入鋰離子。”
具有四大優(yōu)勢 高產(chǎn)量、薄片增闊度、可擴(kuò)大生產(chǎn)、可打印制備
曾博士表示這種電化學(xué)方法有四大優(yōu)勢。首先，能高產(chǎn)量地制備出單層TMD納米薄片。以團(tuán)隊研究的兩種TMDs、即MoS2及TaS2為例，實驗證明用這種方法制備的二維納米薄片中，90%以上（MoS2為92%，TaS2為93%）為單層，其余的8%和7%為雙層、三層，甚至多層。
其次，團(tuán)隊能制備出橫向尺寸較闊的單層TMD納米薄片。他們以此方法制備的MoS2單層納米薄片的闊度可達(dá)3微米。
第三，這個制備方法的規(guī)模是可擴(kuò)展的。團(tuán)隊相信只要將TMD的原料體積從毫克增加到克甚至是噸，就可以擴(kuò)大生產(chǎn)單層的TMD納米薄片，用作工業(yè)應(yīng)用。第四，這些TMD納米薄片可透過溶液加工而制備，而且可以“印刷”出來。在無需添加表面活性劑的情況下，納米薄片仍然可以均勻地分散在水溶液之中，更可結(jié)合印刷技術(shù)中，當(dāng)作油墨般打印制備。
多用途的TMD納米薄片，可廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域
鉆研如何大規(guī)模生產(chǎn)2D TMD材料已逾10年的曾博士總結(jié)道：“我們的方法是一種成熟、有效和具前景的策略，可高產(chǎn)量地制備出結(jié)構(gòu)為單層或數(shù)層的TMD納米薄片。”
團(tuán)隊相信，這種單層或數(shù)層TMD納米薄片的高產(chǎn)量制備方法，將為基礎(chǔ)和應(yīng)用研究開辟出新方向，引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的關(guān)注。曾博士補(bǔ)充說：“通過此方法制備的TMD納米薄片，可以廣泛應(yīng)用于氣體傳感、存儲器件、生物分子檢測、電催化析氫（electrocatalytic hydrogen evolution）、發(fā)光二極管和鋰離子電池等各個領(lǐng)域。”
曾博士、來自法國蒙彼利埃大學(xué)的Damien Voiry博士和來自韓國蔚山國立科學(xué)技術(shù)院的Hyeon Suk Shin教授是該論文的通訊作者。第一作者是曾博士的城大課題組成員楊銳捷和由曾博士指導(dǎo)的博士候選人梅亮和張青勇。另外，前團(tuán)隊成員范瑩瑩亦有參與研究。
研究獲得香港城大、香港研究資助局、深圳市科技創(chuàng)新委員會和韓國國家研究基金會的資助而進(jìn)行。
DOI number: 10.1038/s41596-021-00643-w
本文于 “香港城大研創(chuàng)” 微信公眾號發(fā)布。
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