Mais une équipe de chercheurs a récemment développé une nouvelle technique de fabrication – l'utilisation de solutions chimiques pour décoller de fines couches de leurs composés parents, créant ainsi des feuilles atomiquement minces – qui semble prête à enfin tenir la promesse de la substance ultra-mince.

Les chercheurs décrivent leur technique de fabrication dans une étude publiée dans Nature .

Dans le monde des matériaux ultra-fins ou « bidimensionnels », c'est-à-dire ceux qui ne contiennent qu'une seule couche d'atomes, les nanofeuilles de tellurure de métaux de transition (TMT) ont, ces dernières années, suscité un grand enthousiasme parmi les chimistes et les scientifiques des matériaux en raison de leurs propriétés particulièrement inhabituelles. .

Ces composés, constitués de tellure et de l'un des éléments du « milieu » du tableau périodique (groupes 3 à 12), bénéficient d'une gamme d'états allant du semi-métallique au semi-conducteur, en passant par l'isolation et le supraconducteur, et même des états plus exotiques, comme ainsi qu'une activité catalytique magnétique et unique.

Ces propriétés offrent une gamme d'applications potentielles dans les domaines de l'électronique, du stockage d'énergie, de la catalyse et de la détection. En particulier, les nanofeuilles de TMT sont explorées en tant que nouveaux matériaux d'électrode dans les batteries et les supercondensateurs, essentiels à la transition propre, en raison de leur conductivité élevée et de leur grande surface.

Les nanofeuilles de TMT peuvent également être utilisées comme électrocatalyseurs pour les batteries lithium-oxygène, améliorant ainsi leur efficacité et leurs performances. D'autres applications potentielles dans les technologies émergentes comprennent le photovoltaïque et la thermoélectrique, la production d'hydrogène, ainsi que la filtration et la séparation. Il a même été découvert qu'ils présentent des phénomènes quantiques intéressants, tels que des oscillations quantiques et une magnétorésistance géante.

"La liste des industries qui bénéficieraient d'améliorations significatives de l'efficacité grâce à la production de masse de nanofeuilles de TMT est extrêmement longue", a déclaré le chef d'équipe WU Zhong-Shuai, chimiste à l'Institut de physique chimique de Dalian (DICP), de l'Académie chinoise des sciences. "C'est pourquoi ce matériau 2D est potentiellement si excitant."

Malheureusement, malgré diverses tentatives d'exfoliation de nanofeuilles de TMT de haute qualité, préserver une cristallinité élevée tout en obtenant des nanofeuilles de grande taille et des caractéristiques ultrafines reste un défi important. Les méthodes conçues jusqu’à présent ne sont pas évolutives en raison des longs délais de traitement. Ils nécessitent aussi souvent des produits chimiques toxiques. Ainsi, les propriétés des nanofeuilles de TMT sont restées un phénomène de laboratoire intéressant qui ne peut pas vraiment franchir le pas vers une production de masse et une application industrielle.

L'équipe a finalement résolu ce problème via un processus simplifié de lithiation, d'hydrolyse et enfin d'exfoliation de nanofeuilles.

Tout d’abord, une grande quantité de cristaux de tellurure métallique a été préparée par transport de vapeur chimique, une méthode couramment utilisée en chimie pour transporter des composés solides d’un endroit à un autre à l’aide d’un gaz vecteur. Lorsque le récipient de réaction est chauffé, l'agent de transport se vaporise et entraîne le composé solide sous forme de vapeur.

La vapeur traverse le récipient de réaction et peut rencontrer une surface plus froide, où le composé peut se déposer et former des cristaux. Cela permet la croissance contrôlée de cristaux ou de films très minces du composé souhaité. Dans ce cas, les cristaux de tellurure préparés sont ensuite mélangés avec du borohydrure de lithium. Ce processus implique le placement d'ions lithium entre les couches de cristaux de tellurure métallique, conduisant à la formation d'un composé intermédiaire « lithié ».

Le composé intermédiaire lithié est ensuite rapidement arrosé d'eau, ce qui entraîne une « exfoliation », ou un décapage des cristaux de tellurure métallique lithié en nanofeuillets en quelques secondes.

Enfin, les nanofeuilles de tellurure métallique exfoliées sont collectées et caractérisées en fonction de leur forme et de leur taille, ce qui leur permet d'être ensuite transformées sous différentes formes, telles que des films, des encres et des composites, en fonction de l'application souhaitée.

L’ensemble du processus ne prend que dix minutes pour la lithiation et quelques secondes pour l’hydrolyse. La technique est capable de produire des nanofeuilles de TMT de haute qualité de différentes épaisseurs souhaitées avec des rendements très élevés.

En testant les nanofeuilles, les chercheurs ont découvert que leur stockage de charge, leur capacité élevée et leur stabilité les rendaient prometteuses pour les applications dans les batteries au lithium et les micro-supercondensateurs.

Ils pensent que leur technique est essentiellement prête à être commercialisée, mais ils souhaitent également mener des études plus approfondies pour caractériser les propriétés et le comportement de leurs nanofeuilles, ainsi qu'affiner et optimiser davantage les étapes de lithiation et d'exfoliation.