초임계 유체 기반 복합 용매에서 초음파 초음파 처리에 의한 MoS2의 시너지적 박리

결과 및 토론

박리 절차를 보여주는 개략도가 그림 1에 나와 있으며 자세한 설명은 실험 섹션에서 찾을 수 있습니다. 간단히 말해서 대량 MoS₂ 초임계 CO₂로 구성된 복잡한 용매에 현탁됩니다. 및 NMP에 이어 초음파 초음파 처리로 박리를 시작합니다. 효과적인 각질 제거를 결정하는 중요한 요소는 초임계 CO₂로 구성된 복합 용매의 사용에 있습니다. 및 NMP. 우선 초임계 상태에 도달하면 CO₂ 저점도, 제로 표면장력, 고확산율 등 기체와 액체의 경계를 넘나드는 고유의 성질을 전달함과 동시에 일정한 밀도를 유지하면서 액체 용매의 역할을 합니다. 이 독특한 조합은 초임계 CO₂를 만듭니다. MoS₂ 사이에 삽입되는 놀랍도록 뛰어난 인터칼레이팅 분자 제한되지 않은 이동성과 함께 작은 분자 크기가 주어지면 인접한 층 사이의 반 데르 발스 상호 작용을 약화시키는 층. 반면에 Coleman은 액상 박리를 용이하게 하기 위해 박리 중 혼합 엔탈피의 이득을 손상시키도록 표면 장력을 적층된 재료의 표면 에너지와 일치시키는 용매를 신중하게 선택해야 한다고 설정했습니다. 가장 중요한 의미[19, 20]. 게다가 Hansen 용해도 매개변수 이론[21, 22]에 따르면 성공적인 박리를 가능하게 하는 용매는 특정 합리적인 범위 내에서 응집 에너지 밀도의 분산성, 극성 및 H-결합 성분을 포함해야 합니다. 최종 결과는 NMP가 용매 삽입에 대한 장벽을 감소시키고 MoS₂의 분산을 향상시키는 일치하는 용매임을 나타냅니다. [23,24,25]. NMP가 초임계 CO₂와 섞일 수 있음을 고려 , 이중 용매 시스템의 통합된 기능은 열역학적으로 박리 임계값을 감소시킬 뿐만 아니라 MoS₂ 사이의 층간 힘을 약화시킵니다. 각질 제거를 가속화하기 위해 아래에 설명된 것처럼 쉽고 빠르게 각질을 제거할 수 있습니다.

박리 절차와 초임계 CO₂의 조화된 삽입을 보여주는 개략도 및 NMP

더 강력한 각질 제거를 촉진하는 NMP의 중요한 역할과 관련된 기본 사항을 확인하기 위해 고정된 초음파 처리 전력, 시간 및 초임계 CO₂의 존재 조건에서 일련의 대조 실험을 수행했습니다. . 해당 XRD 패턴은 그림 2a와 같이 기록되었습니다. XRD 피크 강도는 이러한 2D 물질의 층 수가 감소함에 따라 장거리 질서의 손실이 약화 된 간섭 산란으로 이어진다는 지식을 기반으로 박리 정도를 반영하는 주요 표시 매개 변수로 채택되었습니다. 반사 강도가 감소합니다. 공용매를 사용하지 않는 경우 박리 효과가 약하며 해당 XRD 피크 강도는 벌크 MoS₂에 비해 거의 변화가 없음을 나타냅니다. 초임계 CO₂의 어려움을 암시하는 샘플 각질 제거로 인한 엔탈피 이득 장벽을 극복하기 위해 단독으로. 물이 초임계 CO₂와 잘 섞이지 않는다는 점을 감안할 때 , 해당 결과는 두 용매 간의 상 분리가 MoS₂에 대한 결합 작용을 방지함을 시사합니다. 이것은 거의 명백한 각질 제거로 이어집니다. 초임계 CO₂와의 혼화성이 우수한 에탄올 및 NMP 채택 개선된 각질 제거 효과가 나타납니다. NMP는 크게 억제된 XRD 피크 강도에 의해 반영된 최고의 각질 제거 효능을 보여줍니다. 이것은 초임계 CO₂와의 우수한 혼화성이라는 결론으로 ​​이어집니다. MoS₂에 일치하는 표면 장력 이는 엔탈피 증가를 감소시켜 손쉬운 각질 제거를 촉진하므로 효율적인 각질 제거를 달성하기 위해 보장되어야 합니다.

아 박리된 MoS₂의 XRD 패턴 NMP, 에탄올 및 초임계 CO₂가 있는 물의 다른 공용매로부터 , 각각 초임계 CO₂일 때의 결과와 비교 는 유일한 용매로 사용되며 대량 샘플의 용매로 사용됩니다. ㄴ 박리된 MoS₂의 XRD 패턴 NMP 및 초임계 CO₂ 조건에서 단독으로 사용했을 때와 함께 사용했을 때의 시너지 효과를 보여줍니다. ㄷ 벌크 및 MoS₂의 라만 분광법 NMP와 초임계 CO₂의 복합 용매에서 박리

초임계 CO₂의 시너지 효과 및 NMP에서 MoS₂로 각질 제거가 발견되었습니다(그림 2b). 각 박리 조건에서 박리 효율을 정량적으로 특성화하기 위해 성능 지수(FOM)는 벌크 샘플의 박리 후 14.5°에서 평면(002)의 XRD 피크 강도의 유지율로 정의됩니다. 즉, 나 _박리 /나 _대량 (낮을수록 더 나은 각질 제거). NMP와 초임계 CO₂가 있는 박리에서 얻은 곱한 F.O.M 값조차도 언급할 가치가 있습니다. 단독으로 채용된 경우(0.526)는 동시에 채용된 경우(0.152)에 대한 F.O.M보다 여전히 훨씬 큽니다(표 1). 이것은 NMP가 박리 에너지 장벽을 낮추는 동시에 초임계 CO₂를 낮추면서 박리 과정에서 두 개의 혼합 가능한 용매가 서로를 향상시키는 강력한 시너지 효과를 명확하게 검증합니다. 층 사이의 후속 삽입을 촉진하여 손쉬운 각질 제거를 시작합니다.

라만 분광법은 박리된 MoS₂ 뿐만 아니라 벌크 샘플에 ​​대해 수행되었습니다. 복잡한 용매에서. 벌크 샘플은 일반적인 \( {E}_{2g}^1 \) 및 A를 나타냅니다. _1g 반치폭(FWHM)이 4.37 및 5.62 cm ⁻¹ 인 밴드 (그림 2c). 13.44 및 13.56 cm ^-1 로 확대된 FWHM과 함께 박리된 샘플의 감소된 피크 강도 \( {E}_{2g}^1 \) 및 A _1g 패싯 경계에 의한 포논 나노 구속으로 인한 피크 [26, 27]는 MoS₂ 레이어 수의 감소를 나타냅니다. XRD 분석 결과와 일치합니다.

XPS 분석은 박리된 MoS₂의 화학적 상태를 연구하기 위해 수행되었습니다. 시트. 디콘볼루션 Mo(3d)에 대한 고해상도 XPS 스펙트럼 ) 및 S(2p ) 피크는 그림 3a 및 b에 표시되어 있습니다. 229.2 eV 및 232.3 eV의 피크 위치는 Mo 3d를 나타냅니다. _5/2 그리고 3월일 _3/2 , 각각 Mo ⁴⁺ 확인 상태 [28, 29]. 한편, 이중선은 S 2p _3/2 및 S 2p _1/2 각각 161.0 eV 및 163.2 eV에서 황화물 S ^2- 를 확인합니다. 상태 [29, 30].

a의 XPS 조사 스펙트럼 월 3일 그리고 b S 2p 박리된 MoS₂ 나노시트

AFM(Atomic Force Microscopy) 분석은 박리된 MoS₂에서 탭핑 모드로 수행되었습니다. 나노 시트는 운모 기판에 용액 주조되어 지형과 층 두께를 식별합니다. 얻어진 MoS₂ 나노 시트는 100에서 450 nm 범위의 크기로 박리되었습니다(그림 4a). 박리 최종 결과는 MoS₂의 강한 캐비테이션 및 면내 균열을 피하기 위해 초음파 처리 전력과 시간을 조정하여 적절하게 조정할 수 있습니다. 초임계 CO₂의 더 강한 삽입을 유도하기 위해 챔버 압력을 증가시키면서 시트 및 층간 반 데르 발스 힘의 약화. 따라서 최대 치수는 마이크로미터 범위로 향상될 수 있습니다. 박리된 MoS₂의 단면 높이 프로파일에 대한 라인 스캐닝 나노시트는 그림 4a 삽입도와 같이 ~ 3 ~ ~ 9 nm의 다양한 층 두께를 나타냅니다. 이는 단일 층 MoS₂의 두께를 고려하여 5에서 15까지 분포된 층 수를 나타냅니다. 0.61 nm[31]입니다. 박리된 MoS₂에 대한 층 분포 플롯의 수 추가 파일 1:그림 S1에 나와 있으며 대다수가 12개에서 20개 레이어 사이에 있습니다. 또한 HRTEM을 사용하여 노출된 나노시트 가장자리의 격자 무늬를 확인하여 레이어 두께와 레이어 수를 직접 조사했습니다. ~ 11 nm의 두께에 해당하는 18-19개의 레이어 수가 식별됩니다(그림 4b).

아 박리된 MoS의 AFM 지형₂ (삽입)에서 라인 스캐닝에서 얻은 나노 시트 및 단면 높이 프로파일. ㄴ 박리된 나노시트의 노출된 가장자리를 보여주는 HRTEM 이미지

평균 층 수를 추정하기 위해 각 박리 조건에서 수집된 건조 샘플에 대해 Brunauer-Emmett-Teller(BET) 테스트를 수행했습니다. 박리된 샘플을 수집하기 위해 원심분리나 상부 투명 상청액을 경사분리하지 않고 오히려 테스트를 위해 박리 챔버에서 제품 전체를 취했다는 점을 강조해야 합니다. 그 결과 샘플 세척 및 수집으로 인한 약간의 손실로 90%를 쉽게 초과하는 매우 높은 제품 백분율 수율을 얻을 수 있습니다. 이와 같이, 여기에서 제안된 박리 기술은 확장 가능한 박리를 위한 진정으로 실행 가능한 접근 방식을 나타냅니다. 이는 박리되지 않은 대부분의 침전물을 피하기 위해 상층액만 수집하여 필연적으로 낮은 수율을 초래하는 일반적으로 시행되는 액체 박리 방법과 극명한 대조를 이룬다[24, 32]. 효율성 면에서 복합 용매에서 박리된 제품은 36.86 m ² 로 모든 공정 조건 중에서 가장 높은 비표면적을 제공합니다. /g, 이전 논의와 일치합니다(그림 5). 이것은 단일층 MoS₂의 이론적인 비표면적을 고려하여 17개의 평균 박리층 수에 해당합니다. 636m ² /g [33]. MoS₂의 대량 전체를 고려 박리된 경우 이 접근 방식을 매우 효율적으로 간주하는 것이 좋습니다.

MoS₂에 대한 BET 분석 다양한 용매에서 박리

박리된 분말을 새로운 NMP에 재분산시키면 5 h에서 침전 없이 안정한 분산이 관찰된다(Fig. 6a, c). 이것은 안정적인 미세 콜로이드 입자의 존재를 의미하는 반면, MoS₂ 초임계 CO₂에서 박리된 샘플에서 동일한 농도의 NMP가 준비되었습니다. 단독으로 5 h 침강 후에 눈에 띄는 양의 침강 입자를 확인할 수 있었습니다(그림 6b, d). 또한, 각질 제거를 집중적으로 촉진하는 시너지적 각질 제거 효과로 인해 전체 프로세스가 1 h 만에 빠르게 완료되며, 이는 일부 보고된 인터칼레이션 기반 각질 제거 프로세스보다 훨씬 빠릅니다.> <그림>

MoS₂의 디지털 이미지 각질 제거 a 복합 용매(NMP 및 초임계 CO₂ ) 및 b 초임계 CO₂에서 단독으로 획득한 MoS₂ 관찰을 위해 NMP에 재분산됩니다. 및 c , d 5 h에 대한 정착 후 각각의 분산 상태