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(Noticias de Nanowerk) Los dicalcogenuros de metales de transición (TMD) bidimensionales (2D), una clase emergente de materiales que se pueden utilizar como semiconductores y aislantes, tienen un potencial prometedor para diversas aplicaciones debido a sus propiedades únicas. Sin embargo, 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 proceso de pelado electroquímico eficiente para lograr una producción altamente eficiente de nanoláminas TMD. Esta nueva estrategia señala 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 resultados fueron publicados en la revista registros de la naturaleza («Producción de alto rendimiento de nanoláminas de dicalcogenuro de metal de transición de una o varias capas mediante un proceso de exfoliación electroquímica basado en la intercalación de iones de litio»).
Un método simple que ofrece un mayor nivel de control
Anteriormente, las nanoláminas TMD podían producirse a través de un proceso químico llamado exfoliación basada en intercalación de iones de litio. La intercalación significa la inserción de una molécula o ion en materiales con estructuras en capas. Cuando cada capa se intercala con iones de litio, se producen materiales monocapa después de la sonicación y la exfoliación; si solo partes de las capas se intercalan con iones de litio, se forman productos con dos o más capas.
Sin embargo, este proceso químico tradicional debe llevarse a cabo a una temperatura relativamente alta, hasta 100 °C, y lleva 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 utilizaron un enfoque electroquímico para sintetizar las 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 producción de nanoláminas TMD de una sola capa en alto rendimiento se puede realizar fácilmente a temperatura ambiente de alrededor de 25 °C en 26 horas”, dijo el Dr. zeng
Su método de pelado basado en intercalación electroquímica de iones de litio implica tres pasos simples: intercalación electroquímica de iones de litio en materiales a granel en capas, seguida de un proceso de sonicación ultrasónica suave en agua desionizada o etanol durante 5 a 10 minutos, y finalmente pelado y centrifugado, para obtener las nanoplacas 2D purificadas.
dr. Zeng señaló que su método puede controlar 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 razonable de litio», agregó.
Producción de nanoláminas TMD de una sola capa con alto rendimiento
dr. Zeng destacó las cuatro ventajas de este enfoque electroquímico. Primero, se logra un alto rendimiento de TMD monocapa. tomar MoS2 y TaS2dos tipos de TMD que estudiaron de manera ejemplar, entre las nanoláminas 2D fabricadas por este método, más del 90% de ellos (92% para MoS2 y 93% para TaS2) eran de una sola capa, mientras que el 8% y el 7% restantes eran de doble capa, triple capa o incluso multicapa.
En segundo lugar, podrían fabricar nanoláminas TMD de una sola capa con un gran tamaño lateral. El tamaño lateral de la monocapa de MoS2 obtenida por el equipo con este método de preparación puede alcanzar los 3 µm.
En tercer lugar, su proceso es escalable. El equipo cree que se puede aumentar aún más la producción 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. Y finalmente, sus nanoláminas TMD son procesables e imprimibles en solución. Pueden distribuirse amplia y uniformemente en una solución acuosa sin la adición 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 nanoláminas TMD de una y varias capas con un alto rendimiento», concluyó el Dr. Zeng, que se ha dedicado a la producción en masa de materiales 2D TMD durante más de 10 años.
El equipo creía que su método para producir en masa nanoláminas TMD de una o varias capas con alto rendimiento abriría una nueva dirección para la investigación básica y aplicada y atraería la atención tanto de la academia como de la industria. «Las nanoláminas TMD fabricadas por este método podrían aplicarse ampliamente en varios campos, como la detección de gases, dispositivos de almacenamiento, detección de biomoléculas, evolución electrocatalítica de hidrógeno, diodos emisores de luz y baterías de iones de litio», agregó.
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