Nova técnica de fabricação leva nanofolhas de telureto de metal de transição do laboratório para a produção em massa

Nanofolhas de telureto de metal de transição têm se mostrado enormes promessas para pesquisas fundamentais e outras aplicações em um arco-íris de diferentes campos, mas até agora, a fabricação em massa tem sido impossível, deixando o material como uma espécie de curiosidade de laboratório, em vez de uma realidade industrial.

Mas uma equipe de pesquisadores desenvolveu recentemente uma nova técnica de fabricação – o uso de soluções químicas para remover camadas finas de seus compostos originais, criando folhas atomicamente finas – que parece finalmente cumprir a promessa da substância ultrafina.

Os pesquisadores descrevem sua técnica de fabricação em um estudo publicado em Natureza.

No mundo dos materiais ultrafinos ou “bidimensionais” – aqueles que contêm apenas uma única camada de átomos – as nanofolhas de telureto de metal de transição (TMT) têm, nos últimos anos, causado grande entusiasmo entre químicos e cientistas de materiais pelas suas propriedades particularmente incomuns. .

Esses compostos, feitos de telúrio e qualquer um dos elementos do ‘meio’ da tabela periódica (grupos 3-12), desfrutam de uma variedade de estados, desde semimetálicos a semicondutores, isolantes e supercondutores e estados ainda mais exóticos, como bem como atividade catalítica magnética e única.

Essas propriedades oferecem uma gama de aplicações potenciais em eletrônica, armazenamento de energia, catálise e detecção. Em particular, as nanofolhas de TMT estão sendo exploradas como novos materiais de eletrodos em baterias e supercapacitores – essenciais para a transição limpa – devido à sua alta condutividade e grande área superficial.

As nanofolhas de TMT também podem ser usadas como eletrocatalisadores para baterias de lítio-oxigênio, melhorando sua eficiência e desempenho. Outras aplicações potenciais em tecnologias emergentes incluem energia fotovoltaica e termoelétrica, produção de hidrogênio e filtração e separação. Descobriu-se até que eles exibem fenômenos quânticos interessantes, como oscilações quânticas e magnetorresistência gigante.

“A lista de indústrias que beneficiariam de melhorias significativas de eficiência com a produção em massa de nanofolhas de TMT é extremamente longa”, disse o líder da equipe WU Zhong-Shuai, químico do Instituto de Física Química de Dalian (DICP), da Academia Chinesa de Ciências. “É por isso que este material 2D é potencialmente tão emocionante.”

Infelizmente, apesar das várias tentativas de esfoliação de nanofolhas de TMT de alta qualidade, preservar a alta cristalinidade e, ao mesmo tempo, atingir grandes tamanhos de nanofolhas e características ultrafinas continua a ser um desafio significativo. Os métodos desenvolvidos até agora não são escaláveis ​​devido aos longos tempos de processamento. Freqüentemente, eles também exigem produtos químicos tóxicos. Assim, as propriedades das nanofolhas de TMT permaneceram um fenômeno laboratorial interessante que não consegue dar o salto para a produção em massa e aplicação industrial.

A equipe finalmente resolveu esse problema por meio de um processo simplificado de litiação, hidrólise e, finalmente, esfoliação em nanofolhas.

Primeiro, uma grande quantidade de cristais de telureto metálico foi preparada usando transporte químico de vapor – um método comumente usado em química para transportar compostos sólidos de um local para outro usando um gás de arraste. Quando o recipiente de reação é aquecido, o agente de transporte vaporiza e carrega consigo o composto sólido na forma de vapor.

O vapor viaja através do recipiente de reação e pode encontrar uma superfície mais fria, onde o composto pode se depositar e formar cristais. Isto permite o crescimento controlado de cristais ou películas muito finas do composto desejado. Neste caso, os cristais de telureto preparados são então misturados com borohidreto de lítio. Este processo envolve a colocação de íons de lítio entre as camadas dos cristais de telureto metálico, levando à formação de um composto intermediário, ‘litiado’.

O composto intermediário litiado é então rapidamente encharcado com água, o que resulta em “esfoliação” ou remoção dos cristais de telureto de metal litiado em nanofolhas em segundos.

Por fim, as nanofolhas de telureto metálico esfoliadas são coletadas e caracterizadas com base em seu formato e tamanho, permitindo que sejam posteriormente processadas em diferentes formas, como filmes, tintas e compósitos, dependendo da aplicação desejada.

Todo o processo leva apenas dez minutos para a litiação e segundos para a hidrólise. A técnica é capaz de produzir nanofolhas de TMT de alta qualidade, com diversas espessuras desejadas, com rendimentos muito altos.

Ao testar as nanofolhas, os pesquisadores descobriram que seu armazenamento de carga, capacidade de alta taxa e estabilidade as tornavam promissoras para aplicações em baterias de lítio e microssupercapacitores.

Eles acreditam que sua técnica está essencialmente pronta para comercialização, mas também querem realizar mais estudos para caracterizar as propriedades e o comportamento de suas nanofolhas, bem como refinar e otimizar ainda mais as etapas de litiação e esfoliação.