[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种胶粘剂辅助研磨剥离（GAGE）方法，利用粘附性聚合物实现大面积、高质量二维材料（如h-BN、石墨烯和MoS2）的可扩展、高产率制备。该方法使h-BN的平均侧向尺寸达到2.18 µm，厚度为3.91 nm，适用于绝缘热传导和高电流密度析氢催化等应用。

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.

研究动机与目标

• 解决在实际应用中大规模、高产率制备大尺寸、高质量二维材料的挑战。
• 克服传统剥离技术存在的碎片尺寸小、产率低或难以扩展的局限。
• 开发一种基于机械力的剥离工艺，利用粘附性聚合物提升剥离效率和材料完整性。
• 展示该方法在多种二维材料（包括h-BN、石墨烯、MoS2和黏土矿物）中的通用性。
• 利用所制备的二维材料实现在绝缘热传导和高电流密度析氢反应中的实际应用。

提出的方法

• 使用粘附性聚合物作为“胶水”，在机械研磨过程中将二维材料薄片粘附并保护，防止重新聚集和损失。
• 采用高剪切研磨工艺，产生剪切力和插层力，促进层状材料的剥离。
• 借助密度泛函理论（DFT）模拟，证实聚合物与二维材料之间的结合能高于层间结合能，从而实现选择性剥离。
• 优化聚合物类型和研磨参数，以最大化二维薄片的侧向尺寸和产率。
• 通过离心和过滤从聚合物基质中分离并纯化剥离后的二维材料。
• 利用光学显微镜、AFM、XRD和拉曼光谱对所制备的二维材料进行表征，以确认其尺寸、厚度和结晶性。

实验结果

研究问题

• RQ1 粘附性聚合物能否用于实现大规模、高产率的大型二维材料剥离？
• RQ2 粘附性聚合物促进剥离而非重新聚集的基本机制是什么？
• RQ3 GAGE方法在h-BN、石墨烯和过渡金属二硫属化物等多种二维材料中的通用性如何？
• RQ4 通过GAGE方法制备的剥离二维材料的侧向尺寸和厚度与传统方法相比如何？
• RQ5 GAGE制备的二维材料能否在热绝缘和电催化等实际应用中实现高性能？

主要发现

• GAGE方法制备的h-BN薄片平均侧向尺寸为2.18 µm，厚度为3.91 nm，表明实现了高质量的少层剥离。
• DFT模拟证实，所选聚合物与二维材料之间的结合能高于层间结合能，从而实现了高效剥离。
• 该方法成功制备了除h-BN外的大尺寸二维材料，包括石墨烯、MoS2、Bi2O2Se、蛭石和蒙脱石。
• 由GAGE剥离薄片制备的h-BN/聚合物复合材料表现出优异的热绝缘性能，且具有高的热导率各向异性。
• 基于GAGE剥离材料制备的MoS2电催化剂在析氢反应中实现了超过100 mA/cm²的高电流密度，表现出优异的电催化性能。
• GAGE工艺实现了高产率和可扩展性，可制备克级规模的二维材料，且材料无明显降解。