力传输剂辅助规模化生产制备二维材料

2020-06-01

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清华大学-伯克利深圳学院成会明、刘碧录团队受固体润滑剂失效原理的启发，发展出了一种力传输剂辅助纯剪切力剥离生产二维材料的新方法（iMAGE技术, interMediate-Assisted Grinding Exfoliation）。iMAGE是一种能规模化生产制备非石墨烯二维材料的技术，所制备的二维材料具有高质量、非官能化、厚度和尺寸可控等特点。同时，该方法普适性好、效率高、产率高、具备吨级二维材料工业化生产产能。iMAGE技术为大规模制备二维材料这一难题提供了一条全新的技术路线，为二维材料的产业应用夯实了材料基础。研究成果以“Mass Production of Two-Dimensional Materials by Intermediate-Assisted Grinding Exfoliation”（力传输剂辅助剥离规模化生产二维材料）为题，发表于National Science Review（《国家科学评论》）。

以石墨烯为代表的二维材料具有诸多新颖的物理化学特性，在信息和能源等领域具备重大应用前景，是当前的一个研究前沿和热点领域。二维材料商业应用的前提是能够实现大规模高效率制备，遗憾的是目前二维材料家族中仅有石墨烯及其氧化物可实现工业化吨级生产，其余大量各具特色的二维材料尚停留在实验室制备阶段。因此，开发新的大规模制备方法，是实现二维材料从实验室走向千万家的必由之路。

固体润滑剂的失效正是来自于块体材料层间的滑移，而滑移的结果便是块体材料被剥离为少层。基于对以上问题的理解，采用硬质研磨颗粒（力传输剂）辅助与加快这一过程的进行，就有望实现快速剥离制备二维材料，这便是iMAGE技术的思路根源。以六方氮化硼为例，iMAGE技术可快速、规模化制备平均尺寸为1.2 μm，平均厚度为4nm（~12层）的二维氮化硼，其中少层率达67%，制备速率达0.3 g h-1，是目前少层率最高，制备速率最快的方法。同时，本方法具有很好的普适性，所制备二维材料的电学和光学性质分布范围宽广，包括以石墨烯为代表的金属材料，二硫化钼等过渡金属硫化物、氧化钛等金属氧化物、碲化铋、黑磷等为代表的各类半导体，和以六方氮化硼、云母为代表的绝缘材料。此外，通过与矿产公司（洛阳申雨钼业，洛钼集团）的合作，初步验证了本方法的可放大性，利用自然存在且价廉的钼矿物实现了二维二硫化钼的规模制备，具备吨级二维材料生产能力。本工作对发展二维材料规模制备方法提出了新的思路，对未来二维材料工业化生产设备的设计具有指导意义。同时，iMAGE规模化生产制备技术对实现二维材料的商业化应用，推动其在电子、传感、新能源等行业的应用具有一定价值。（来源：科学网）

论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz156

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