Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) bidimensionales (2D), una clase emergente de materiales que se pueden usar como semiconductores y aislantes, tienen un potencial prometedor en varias aplicaciones debido a sus propiedades únicas. Pero la producción confiable de estos materiales 2D atómicamente delgados ha sido un desafío. Un equipo de investigación dirigido por un científico de materiales de la Universidad de la Ciudad de Hong Kong (CityU) ha desarrollado un método de exfoliación electroquímica eficiente para lograr una producción de alto rendimiento de nanoláminas TMD. Esta nueva estrategia establece una nueva dirección para la producción en masa de nanoláminas TMD para una amplia aplicación en el futuro.

El equipo 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 científicos de la Universidad de Montpellier y el Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan (UNIST). Sus hallazgos fueron publicados en la revista académica Nature Protocols , bajo el título "Producción de alto rendimiento de nanoláminas de dicalcogenuro de metal de transición de una o pocas capas mediante un método de exfoliación electroquímico basado en intercalación de iones de litio".

Un método simple que ofrece un mayor grado de control

Anteriormente, las nanoláminas TMD se podían producir mediante un método químico llamado exfoliación basada en intercalación de iones de litio. La intercalación significa la inserción de una molécula o ion en materiales que tienen estructuras en capas. Si cada capa se intercala con iones de litio, se producirán materiales con monocapas después de la sonicación y exfoliación por ultrasonido; si solo partes de las capas se intercalan con iones de litio, entonces el resultado serán productos de dos o pocas capas.

Sin embargo, este método químico tradicional debe llevarse a cabo a una temperatura relativamente alta de hasta 100 °C y durante mucho tiempo, algunos pueden tardar hasta tres días. Más importante aún, es difícil controlar la cantidad de inserción de litio.

Para superar los desafíos anteriores, el Dr. Zeng y su equipo adoptaron un enfoque electroquímico para sintetizar las nanoláminas inorgánicas de una o pocas capas. "El método que desarrollamos es relativamente simple y directo, y ofrece un mayor grado de control en condiciones suaves. Con nuestro método, la preparación de alto rendimiento de nanoláminas TMD monocapa se puede realizar fácilmente a una temperatura ambiente de aproximadamente 25 ℃ en 26 horas. ", dijo el Dr. Zeng.

Su método de exfoliación electroquímico basado en la intercalación de iones de litio implica tres pasos simples:la intercalación electroquímica de iones de litio en materiales a granel en capas, seguido de un proceso de sonicación por ultrasonido suave en agua desionizada o etanol durante 5 a 10 minutos y, por último, exfoliar y centrifugar para obtener las nanoláminas 2D purificadas.

El Dr. Zeng señaló que al usar su método, la cantidad de intercalación de litio se puede controlar de manera efectiva 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", agregó.

Producción de alto rendimiento de nanoláminas TMD monocapa

El Dr. Zeng destacó las cuatro ventajas de este enfoque electroquímico. En primer lugar, se consigue un alto rendimiento de TMD monocapa. Tomando MoS2 y TaS2, dos tipos de TMD que estudiaron, como ejemplos, entre las nanoláminas 2D preparadas con este método, más del 90 % de ellas (92 % para MoS2 y 93 % para TaS2) eran de una sola capa, mientras que el resto de las 8 % y 7% eran capas dobles, tricapas o incluso multicapas.

En segundo lugar, podrían fabricar nanoláminas TMD monocapa en un gran tamaño lateral. El tamaño lateral de la monocapa de MoS2 que el equipo obtiene por este método de preparación puede alcanzar las 3 μm.

En tercer lugar, su procedimiento es escalable. El equipo cree que se puede lograr una mayor ampliación de la producción de nanohojas de TMD monocapa para aplicaciones industriales aumentando la cantidad de TMD a granel de miligramos (mg) a gramos (g), o incluso toneladas. Y, por último, sus nanoláminas TMD son procesables en solución e imprimibles. Podrían dispersarse amplia y uniformemente en una solución acuosa sin agregar un tensioactivo y podrían usarse como tinta en la tecnología de impresión.

Nanoláminas 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 pocas capas", concluyó el Dr. Zeng, que ha estudiado la producción en masa de materiales TMD 2D durante más de 10 años.

El equipo creía que su método para la producción en masa y de alto rendimiento de nanoláminas TMD de una o pocas capas abriría una nueva dirección para la investigación básica y aplicada, atrayendo la atención tanto de la academia como de la industria. "Las nanoláminas TMD preparadas por este método podrían aplicarse ampliamente 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", agregó.

El Dr. Zeng, el Dr. Damien Voiry de la Universidad de Montpellier y el profesor Hyeon Suk Shin del Instituto Nacional de Ciencia y Tecnología de Ulsan son los autores correspondientes del artículo. Los primeros autores son el Sr. Yang Ruijie (ex miembro del equipo del Grupo CityU del Dr. Zeng), el Sr. Mei Liang y el Sr. Zhang Qingyong, ambos con Ph.D. candidatos supervisados ​​por el Dr. Zeng. Miss Fan Yingying (ex integrante del equipo) también participó en la investigación. + Explora más

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