香港城大研究團隊成功開發高效電化學插層法 能高產量製備TMD納米薄片

二維（Two-dimensional, 2D）過渡金屬二硫化物（transition metal dichalcogenides，簡稱TMDs）是一類可用作半導體和絕緣體的新興材料，其獨特的特性，令它具有潛力作不同的應用。但是，要穩定地製備出這些薄至原子級的二維材料並不容易。由香港城市大學（香港城大）材料科學家領導的研究團隊，成功開發出一種高效的電化學插層方法，能夠高產量地製備TMD納米薄片。此通用的策略為TMD納米薄片的大規模生產開闢了新方向，以供未來作廣泛應用。

該研究團隊由香港城大材料科學及工程學系（MSE）的助理教授曾志遠博士領導，並與來自法國蒙彼利埃大學（University of Montpellier）和韓國蔚山國立科學技術院（Ulsan National Institute of Science and Technology, UNIST）的研究人員合作。研究結果已發表於科學期刊《Nature Protocols》 上，題為〈High-yield production of mono- or few-layer transition metal dichalcogenide nanosheets by an electrochemical lithium ion intercalation-based exfoliation method〉。

簡單而又更可控的製備方法

過往，透過一種名為鋰離子插層剝離（lithium ion intercalation-based exfoliation）的化學方法，可以製備出TMD納米薄片。「插層」即是將分子或離子插入具有層狀結構的材料之中。基本上，如果每層材料都插入鋰離子，那麼經過超聲震盪剝離後，就可製備出單層的材料；而如果材料只有其中一些分層被嵌入鋰離子，就會製備出結構為雙層或數層的材料。

然而，這種傳統的化學製備方法需要用於高達100°C的較高溫度之中，而且需時較久，可能要三天才能製備出納米薄片。更重要的是，此方法難以控制鋰離子的嵌入量。

為克服上述困難，曾博士和他的團隊採用一種電化學方法，以合成厚度為單層或數層的無機納米薄片。曾博士說：「我們研發的這個方法相對簡單直接，可在溫和的條件下操作，而且更為可控。我們此方法可以在25℃左右的室溫下，於26小時內輕鬆並高產量地製備出單層 TMD 納米薄片。」

團隊研發出的電化學鋰離子插層剝離方法只需三個簡單的步驟：先以電化學方法將鋰離子嵌入塊狀材料的層與層之間，然後將材料放於去離子水（deionised water）或乙醇中進行5至10分鐘的超聲震盪處理，最後以離心分離的方式，取得純化的二維納米薄片。

曾博士指出他們此方法能通過調控截止電壓（cut-off voltage），有效控制鋰離子的嵌入量。他補充說：「這種優越的特性令我們可以控制層狀材料中鋰離子的嵌入量，當份量適當，便可停止再嵌入鋰離子。」

宏量地製備單層 TMD 納米薄片

曾博士點出這種電化學方法有四大優勢。首先，能高產量地製備出單層TMD納米薄片。以團隊研究的兩種TMDs 、即MoS₂及TaS₂為例，實驗證明用這種方法製備的二維納米薄片中，90%以上（MoS₂為92%，TaS₂為93%）為單層，其餘的8%和7%為雙層、三層，甚至多層。

其次，團隊能製備出橫向尺寸較闊的單層TMD納米薄片。他們以此方法製備的MoS₂單層納米薄片的闊度可達3微米。

第三，這個製備方法的規模是可擴展的。團隊相信只要將TMD的原料體積從毫克增加到克甚至是噸，就可以擴大生產單層的TMD納米薄片，以作工業應用。第四，這些TMD納米薄片可透過溶液加工而製備，而且可以「印刷」出來。在無需添加表面活性劑的情況下，納米薄片仍然可以均勻地分散在水溶液之中，更可結合印刷技術中，當作油墨般打印製備。

多用途的TMD納米薄片

鑽研如何大規模生產2D TMD材料已逾10年的曾博士總結道：「我們的方法是一種成熟、有效和具前景的策略，可高產量地製備出結構為單層或數層的TMD納米薄片。」

團隊相信，他們這種單層或數層TMD納米薄片的高產量製備方法，將為基礎和應用研究開闢出新方向，引起學術界和工業界的關注。曾博士補充說：「通過此方法製備的TMD納米薄片，可以廣泛應用於氣體傳感、存儲器件、生物分子檢測、電催化析氫（electrocatalytic hydrogen evolution）、發光二極管和鋰離子電池等各個領域。」

曾博士、來自法國蒙彼利埃大學的Damien Voiry博士和來自韓國蔚山國立科學技術院的Hyeon Suk Shin教授是該論文的通訊作者。第一作者是曾博士城大課題組成員的楊銳捷和正由曾博士指導的博士候選人梅亮和張青勇。另外，前團隊成員范瑩瑩亦有參與研究。

研究獲得香港城大、香港研究資助局、深圳市科技創新委員會和韓國國家研究基金會的資助而進行。