[論文レビュー] Glue-Assisted Grinding Exfoliation of Large-Size 2D Materials for Insulating Thermal Conduction and Large-Current-Density Hydrogen Evolution

Liusi Yang, Dashuai Wang+12 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Graphene research and applications被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、接着重合体を用いて大規模で高収率の大型・高品質な2次元材料（h-BN、グラフェン、MoS2など）のプロダクションを可能にするグルー補助研磨剥離法（GAGE）を提案する。この手法により、h-BNの平均横方向サイズは2.18 µm、厚さは3.91 nmに達し、絶縁性熱伝導や高電流密度水素発生触媒反応への応用が可能となる。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) materials have many promising applications, but their scalable production remains challenging. Herein, we develop a glue-assisted grinding exfoliation (GAGE) method in which the adhesive polymer acts as a glue to massively produce 2D materials with large lateral sizes, high quality, and high yield. Density functional theory simulation shows that the exfoliation mechanism involves the competition between the binding energy of selected polymers and the 2D materials which is larger than the exfoliation energy of the layered materials. Taking h-BN as an example, the GAGE produces 2D h-BN with an average lateral size of 2.18 μm and thickness of 3.91 nm. The method is also extended to produce various other 2D materials, including graphene, MoS2, Bi2O2Se, vermiculite, and montmorillonite. Two representative applications of thus-produced 2D materials have been demonstrated, including h-BN/polymer composites for insulating thermal conduction and MoS2 electrocatalysts for large-current-density hydrogen evolution, indicating the great potential of massively produced 2D materials.

研究の動機と目的

• 実用的応用を目的とした大規模で高収率の大型・高品質2次元材料の生産の課題に対処する。
• 小さなフラックや低収率、スケーラビリティの欠如といった従来の剥離技術の限界を克服する。
• 機械的駆動による剥離プロセスを開発し、接着重合体を用いて剥離効率と材料の完全性を向上させる。
• h-BN、グラフェン、MoS2、および粘土鉱物を含む多様な2次元材料へのこの手法の汎用性を実証する。
• 得られた2次元材料を用いて、絶縁性熱伝導および高電流密度水素発生反応への実用的応用を可能にする。

提案手法

• 接着重合体を「接着剤」として用い、機械的グラインディング中に2次元材料フラックをバインド・保護し、再凝集や損失を防ぐ。
• 高せん断グラインディング処理を用いて、せん断力およびインターディスクリプション力によって層状材料の剥離を促進する。
• 密度汎関数理論（DFT）シミュレーションを用いて、重合体と2次元材料との結合エネルギーが層間結合エネルギーを上回ることを確認し、選択的剥離が可能であることを裏付ける。
• 重合体の種別およびグラインディングパラメータを最適化し、2次元フラックの横方向サイズと収率を最大化する。
• 遠心分離およびろ過を用いて、重合体マトリックスからの剥離2次元材料の分離・精製を行う。
• 光学顕微鏡、AFM、XRD、ラマン分光法を用いて、得られた2次元材料のサイズ、厚さ、結晶性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 接着重合体を用いることで、大規模かつ高収率の大型2次元材料の剥離が可能になるか？
• RQ2 接着重合体が再凝集を防ぎ、剥離を促進する根本的メカニズムは何か？
• RQ3 GAGE法は、h-BN、グラフェン、遷移金属ジチalcogenidesを含む多様な2次元材料へどの程度一般化可能か？
• RQ4 GAGE法で得られる剥離2次元材料の横方向サイズおよび厚さは、従来法と比較してどの程度優れているか？
• RQ5 GAGE法で得られた2次元材料は、熱絶縁や電気触媒反応といった実用的応用で高い性能を発揮できるか？

主な発見

• GAGE法により得られたh-BNフラックの平均横方向サイズは2.18 µm、厚さは3.91 nmであり、高品質な数層剥離を示している。
• DFTシミュレーションにより、選択された重合体と2次元材料との結合エネルギーが層間結合エネルギーを上回ることを確認し、効率的な剥離が可能であることが裏付けられた。
• この手法はh-BNを超えて、グラフェン、MoS2、Bi2O2Se、バーミキュライト、モンマーリュライトなど、大規模な2次元材料の生成にも成功した。
• GAGEで剥離したフラックを用いたh-BN/重合体複合材料は、高い熱伝導異方性を示し、効果的な熱絶縁を実現した。
• GAGEで剥離した材料を用いたMoS2触媒は、水素発生反応において100 mA/cm²を超える高い電流密度を達成し、強固な電気触媒性能を示した。
• GAGEプロセスは高収率かつスケーラブルであり、著しい劣化を伴わず、グラムスケールの2次元材料の生産が可能となった。