【纳米】周一歌团队Nano Lett.：层状过渡金属硫族化合物的高质高效流动电化学剥离- 大数跨境

【纳米】周一歌团队Nano Lett.：层状过渡金属硫族化合物的高质高效流动电化学剥离

X-MOL资讯

2025-02-14

导读：湖南大学周一歌教授受单颗粒碰撞电化学的启发，提出了一种全新的流动电化学剥离（FEE）策略。

近年来，过渡金属硫族化合物（TMDs）因其独特的电子结构和优异的催化、传感及储能性能而备受关注。然而，如何在保证材料晶体完整性的前提下，实现高产率的超薄TMD纳米片剥离仍然是一个重要挑战。传统的电化学剥离方法通常将大尺寸层状TMD晶体直接作为阴极或阳极，在高电压作用下进行离子插层和气泡膨胀剥离。然而，这种方法往往会导致块体材料的崩解及脱落，从而产生大量未剥离颗粒，降低剥离效率，并可能因高电位的长时间连续性施加而导致材料的结构缺陷。

近日，湖南大学周一歌教授受单颗粒碰撞电化学的启发，提出了一种全新的流动电化学剥离（FEE）策略。作者设计了一种特殊的全玻碳（GC）反应池，其既可作为工作电极，又可作为电解容器（图1a，1b）。当TMD粉末在反应池中流动时，单个TMD颗粒通过布朗运动不断撞击电极表面，于碰撞瞬间在电场（-7 V）作用下完成离子插层和剥离（图1c）。该方法具有独特优势，包括显著增强的传质效率和循环反应模式，从而在粉末材料的电化学剥离过程中实现更高效的充电和离子插层，同时保持材料的晶体完整性。

图1. 流动电化学剥离示意图（a）与实物图（b），以及碰撞插层过程（c）

作者以MoS₂为模型材料，在优化的FEE条件下，仅需30分钟即可获得高产率的少层MoS₂纳米片。X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）等表征结果显示，该方法制备的MoS₂纳米片具有较大横向尺寸（>10 μm）、较薄层数（3~4 nm），并且保持了优异的晶体完整性（图2）。作者进采用X射线光电子能谱（XPS）分析验证了FEE方法剥离MoS₂纳米片后，其化学组成与原始材料一致，未发生明显化学变化，表明该方法可以有效保留原始材料的成分和结构（图3）。

图2. 流动电化学剥离得到的MoS₂纳米片的光学、扫描电子显微镜、原子力显微镜、高分辨透射电子显微镜及选区电子衍射图谱表征

图3. 剥离前后MoS₂材料的紫外-可见光谱及X射线光电子能谱表征

上述表征结果表明，本研究提出的流化电化学剥离（FEE）策略不仅能够高产率制备少层MoS₂纳米片，同时还能保持原始粉末的晶体结构，不会在剥离过程中引入额外的结构畸变或氧化物。这些优越性主要归因于以下几个因素：

1. 增强的电场效应：高电场集中作用于单个颗粒，并配合显著提升的离子传输，极大促进了充电与离子插层过程。

2. 流动过程中的重复碰撞：颗粒在流动过程中经历多次机械碰撞，这有助于层间分离与剥离。

3. 循环反应模式：FEE中的循环反应模式有效缩短了反应时间，降低了相变及因长时间高电压作用而引入的晶体杂质的风险。

随后，作者利用单颗粒碰撞电化学方法，基于碰撞瞬态信号细节的解读，对MoS₂碰撞反应过程进行了单颗粒水平上的分析。作者进而估算出MoS₂颗粒在单颗粒碰撞状态下的充电与插层效率比传统紧密堆积的修饰电极测试条件下高6-7个数量级。这种提升主要归因于单个流动颗粒所经历的更集中的电场，以及其更大的表面暴露度和对电解质的更高可及性，从而增强了电化学反应。

图4. MoS₂碰撞反应过程的单颗粒水平解读

研究人员进而证实了FEE剥离得到的MoS₂纳米片具有比未剥离材料显著增大的电化学活性面积。随后采用位点特异性电沉积（SSED）方法，在MoS₂纳米片表面负载单原子铂（Pt-SAs），构建高效析氢催化剂。实验结果显示，相较于未经剥离的MoS₂粉末，FEE剥离的MoS₂纳米片作为催化载体可显著降低HER的过电位，并提高电催化反应动力学。

图5. FEE剥离的MoS₂纳米片负载单原子铂（Pt-SAs）的表征及其析氢反应性能研究

最后，作者通过对WS₂ and WSe₂等材料的成功剥离，证实了FEE方法在TMD材料电化学剥离中的广泛适用性。

这一成果近期发表在Nano Letters 上，文章的通讯作者是湖南大学周一歌教授。第一作者是湖南大学博士生卢萍，共同第一作者是湖南大学博士生李峪安及湖南大学副教授颜海龙。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

Fluidized Electrochemical Exfoliation of Layered Transition Metal Dichalcogenides toward Fast Production of High-Quality Nanosheets in the Aqueous Phase

Ping Lu, Yu-An Li, Hailong Yan, Qiongyu Huang, Song Liu, and Yi-Ge Zhou*

Nano Lett. 2025, DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05891

通讯作者简介

周一歌博士，湖南大学教授，国家优秀青年获得者。本科与硕士毕业于南京大学，博士毕业于牛津大学，后先后于多伦多大学及美国西北大学从事博士后研究，2017年底入职湖南大学化学化工学院，2020年起任“化学生物传感与计量学”国家重点实验室副主任。

主要研究方向为单颗粒碰撞电分析化学的基础研究及应用拓展，建立了基于单体碰撞电化学的高灵敏度生命分析新方法及流动电化学策略，为发展高性能电催化体系与电化学传感器提供了新思路与新方法。以第一及通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Nano Lett.等期刊上发表论文40余篇。研究成果被C&EN、Chem. Sci.、国家自然科学基金委等专题报道。研究成果获湖南省第十一届“青年科技奖”、湖南省自然科学一等奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖等荣誉。周一歌教授为湖南省政协委员、九三学社湖南省青年工作室副主任、中国颗粒学会青年理事。现任《ACS Sensors》顾问编委、《Chinese Chemical Letters》编委、《Fundamental Research》青年编委、《电化学》期刊青年编委。

个人及课题组网站：

https://grzy.hnu.edu.cn/site/index/zhouyige

http://www.zhougroup.online/

https://www.x-mol.com/university/faculty/66354