Жидкофазный пилинг

Впервые продемонстрирован в 2008 году. жидкофазное отшелушивание (LPE) — это метод обработки раствора, который используется для преобразования слоистых кристаллов в двумерные нанолисты в больших количествах. В настоящее время это один из основных методов производства 2D-нанолистов. По данным IDTechEx, семейство методов эксфолиации, прямо или косвенно произошедшее от LPE, в настоящее время составляет более 60% мировых мощностей по производству графена.

Этот метод включает добавление порошкообразных слоистых кристаллов, например графита, к соответствующим растворителям и введение энергии, часто с помощью ультразвука , хотя смешивание с высокой скоростью сдвига. часто используется повсеместно. Добавление энергии вызывает комбинацию фрагментации и расслоения, приводящую к удалению небольших нанолистов из слоистых кристаллов. Таким образом, графит можно превратить в большое количество графеновых нанолистов. Обычно эти нанолисты имеют толщину в несколько монослоев и поперечные размеры от десятков нанометров до многих микрон. Эти дисперсные нанолисты образуют квазистабильные суспензии, пока используемые растворители имеют поверхностную энергию, аналогичную энергии нанолистов. Могут быть достигнуты дисперсные концентрации порядка 1 грамма на литр. В дополнение к растворителям также можно использовать молекулярные стабилизаторы, например поверхностно-активные вещества или полимеры, для покрытия нанолистов и стабилизации их от повторной агрегации. Это имеет то преимущество, что позволяет суспендировать нанолисты в воде.

Хотя этот метод впервые был применен для расслаивания графита с получением графеновых нанолистов, с тех пор он использовался для производства широкого спектра 2D-материалов, включая дисульфид молибдена , диселенид вольфрама , нитрид бора , гидроксид никеля (II) , моносульфид германия , SnP ₃ и черный фосфор . Жидкие суспензии, полученные методом жидкофазного отшелушивания, можно использовать для создания ряда функциональных структур. Например, их можно печатать на тонких пленках и сетках, используя стандартные методы, такие как струйная печать .

Печатные структуры использовались в ряде областей, включая печатную электронику, датчики и нанокомпозиты . Сопутствующие методы включают отшелушивание посредством мокрого шарового помола , гомогенизации, микрофлюидизации и мокрого струйного помола . Жидкофазное отшелушивание отличается от других методов жидкостного отшелушивания, например, производства оксида графена , поскольку оно гораздо менее разрушительно и оставляет минимальные дефекты в базальных плоскостях нанолистов. Недавно выяснилось, что LPE также можно использовать для преобразования неслоистых кристаллов в квази-2D нанопластинки .

Происхождение

Одно из самых ранних изображений графенового нанолиста, полученного методом жидкофазного расслоения (расслоенного Дублинской группой в 2007 году), с помощью трансмиссионного электронного микроскопа.

Жидкофазное отшелушивание было впервые подробно описано в статье исследовательской группы из Ирландии в 2008 году. хотя примерно в то же время манчестерская группа опубликовала очень краткое описание аналогичного процесса. Хотя в других статьях ранее описывались методы расслаивания слоистых кристаллов в жидкостях, эти статьи были первыми, кто описал эксфолиацию в жидкостях без какой-либо предварительной ионной интеркаляции или химической обработки.

Методы отшелушивания

LPE включает в себя введение слоистых кристаллов в соответствующие стабилизирующие жидкости, а затем добавление энергии для удаления нанолистов из слоистых кристаллов. Для подачи энергии в жидкость использовался ряд различных методов. Самый ранний и распространенный метод – ультразвук. В целях масштабирования процесса в 2014 году было введено смешивание с высоким сдвиговым усилием. Этот метод оказался чрезвычайно полезным и вдохновил на создание ряда других методов создания сдвига в суспензии, включая мокрое шаровое измельчение, гомогенизацию, микрофлюидизацию и мокрое струйное измельчение.

Стабилизаторы

Простейшими стабилизирующими жидкостями являются растворители с поверхностной энергией, близкой к расслаивающемуся слоистому кристаллу. На практике жидкости с поверхностным натяжением около 70 мДж/м ² используются. Кроме того, часто используются водные растворы поверхностно-активных веществ. Менее распространенным, но полезным для определенных применений является использование молекулярных или полимерных добавок для стабилизации расслоенных нанолистов.

ЖФЭ 2D-материалов за пределами графена

Компания LPE производит очень широкий спектр 2D-материалов. Первым материалом, который подвергся расслаиванию, был графен в 2008 году. За этим в 2011 году последовало отшелушивание BN, MoS2 и WS2. С тех пор был подвергнут расслаиванию широкий спектр 2D-материалов, включая диселенид молибдена, диселенид вольфрама, сульфид галлия, триоксид молибдема, гидроксид никеля (II), моносульфид германия, SnP3, черный фосфор и т. д.

ЖПЭ бесслоистых материалов

Недавние работы показали, что жидкофазное отшелушивание можно использовать для производства 2D-нанотромбоцитов из неслоистых 3D-сильно связанных объемных материалов. Это интуитивно неожиданно, поскольку объемные трехмерные кристаллы состоят из прочных связей во всех трех направлениях. Тем не менее, многие неслоистые материалы, такие как бор, кремний, германий, дисульфид железа, оксид железа, трифторид железа, теллурид марганца, превращаются в 2D-нопластинки при обработке ультразвуком в соответствующих растворителях. Это поднимает множество открытых вопросов о механизме процесса жидкофазной эксфолиации. Для слоистых материалов энергия, необходимая для разрыва сил межплоскостных (преимущественно ван-дер-ваальсовых) связей, мала по сравнению с энергией, необходимой для разрыва плоскостных ионных или ковалентных связей. Затем в результате процедуры отшелушивания образуются 2D-нанолисты. Однако для неслоистых трехмерных прочносвязанных материалов с минимальной разницей в связи между разными атомными плоскостями не существует «легко расслаивающегося» направления, и обработка ультразвуком должна давать квазисферические частицы. Тем не менее, почти изотропные материалы, такие как кремний, подвергались расслаиванию с получением пластинок с высоким соотношением сторон. Поэтому развитие понимания механизмов расслаивания неслоистых материалов будет важным, в частности потому, что сфера применения таких неслоистых 2D-нанотромбоцитов широка: от биомедицинских применений до хранения энергии и оптоэлектроники.