城大研究團隊成功開發高效電化學插層法，能高產量制備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用。但是，要穩定地製備出這些薄至原子級的二維材料並不容易。由香港城市大學（城大）材料科學家領導的研究團隊，成功開發出一種高效的電化學插層方法，能夠高產量地製備TMD納米薄片 。此通用的策略為TMD納米薄片的大規模生產開闢了新方向，以供未來作廣泛應用。
該研究團隊由城大材料科學及工程學系（MSE）的助理教授曾志遠博士領導，並與來自法國蒙彼利埃大學（University of Montpellier）和韓國蔚山國立科學技術院（Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST）的研究人員合作。研究結果已發表於科學期刊《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〉。
簡單而又更可控的製備方法
過往，透過一種名為鋰離子插層剝離（lithium ion intercalation-based exfoliation）的化學方法，可以製備出TMD納米薄片。「插層」即是將分子或離子插入具有層狀結構的材料之中。基本上，如果每層材料都插入鋰離子，那麼經過超聲震盪剝離後，就可製備出單層的材料；而如果材料只有其中一些分層被嵌入鋰離子，就會製備出結構為雙層或數層的材料。
然而，這種傳統的化學製備方法需要用於高達100°C的較高溫度之中，而且需時較久，可能要三天才能製備出納米薄片。更重要的是，此方法難以控制鋰離子的嵌入量。
為克服上述困難，曾博士和他的團隊採用一種電化學方法，以合成厚度為單層或數層的無機納米薄片。曾博士說：「我們研發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。我們此方法可以在 25℃左右的室溫下，於26小時內輕鬆並高產量地製備出單層 TMD 納米薄片。」
團隊研發出的電化學鋰離子插層剝離方法只需三個簡單的步驟：先以電化學方法將鋰離子嵌入塊狀材料的層與層之間，然後將材料放於去離子水（deionised water）或乙醇中進行5 至 10 分鐘的超聲震盪處理，最後以離心分離的方式，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控截止電壓（cut-off voltage），有效控制鋰離子的嵌入量。他補充說：「這種優越的特性令我們可以控制層狀材料中鋰離子的嵌入量，當份量適當，便可停止再嵌入鋰離子。」
宏量地製備單層 TMD 納米薄片
曾博士點出這種電化學方法有四大優勢。首先，能高產量地製備出單層 TMD 納米薄片。以團隊研究的兩種TMDs 、即MoS2及TaS2為例，實驗證明用這種方法製備的二維納米薄片中，90%以上（MoS2為92%，TaS2為93%）為單層，其餘的8% 和7% 為雙層、三層，甚至多層。
其次，團隊能製備出橫向尺寸較闊的單層 TMD 納米薄片。他們以此方法製備的MoS2單層納米薄片的闊度可達3微米。
第三，這個製備方法的規模是可擴展的。團隊相信只要將 TMD 的原料體積從毫克增加到克甚至是噸，就可以擴大生產單層的 TMD 納米薄片，以作工業應用。第四，這些TMD 納米薄片可透過溶液加工而製備，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，更可結合印刷技術中，當作油墨般打印製備。
多用途的TMD 納米薄片
鑽研如何大規模生產2D TMD 材料已逾10 年的曾博士總結道：「我們的方法是一種成熟、有效和具前景的策略，可高產量地製備出結構為單層或數層的TMD 納米薄片。」
團隊相信，他們這種單層或數層TMD納米薄片的高產量製備方法，將為基礎和應用研究開闢出新方向，引起學術界和工業界的關注。曾博士補充說：「通過此方法製備的TMD納米薄片，可以廣泛應用於氣體傳感、存儲器件、生物分子檢測、電催化析氫（electrocatalytic hydrogen evolution）、發光二極管和鋰離子電池等各個領域。」
研究獲得城大、香港研究資助局、深圳市科技創新委員會和韓國國家研究基金會的資助而進行。
DOI number: 10.1038/s41596-021-00643-w