A rational design of cosolvent exfoliation of layered materials by directly probing liquid–solid interaction

Abstract

Exfoliation of layered materials such as graphite and transition metal dichalcogenides into mono- or few-layers is of significant interest for both the fundamental studies and potential applications. Here we report a systematic investigation of the fundamental factors governing the liquid exfoliation process and the rational design of a cosolvent approach for the exfoliation of layered materials. We show that Young’s equation can be used to predict the optimal cosolvent concentration for the effective exfoliation of graphite and molybdenum disulphide in water mixtures with methanol, ethanol, isopropanol and t-butyl alcohol. Moreover, we find that the cosolvent molecular size has an important role in the exfoliation yield, attributed to the larger steric repulsion provided by the larger cosolvent molecules. Our study provides critical insight into the exfoliation of layered materials, and defines a rational strategy for the design of an environmentally friendly pathway to the high yield exfoliation of layered materials.

Avaliação De Diferentes Rotas De Esfoliação Líquida Para Obtenção De Nanolamelas De Nitreto De Boro Hexagonal

“…1,8,9 Dentre os métodos físicos, a esfoliação líquida em solvente expõe o material lamelar a ondas ultrassônicas que, por meio da cavitação, geram ondas de energia que colapsam e fragmentam os cristais lamelares, produzindo nanolamelas esfoliadas. [1][2][3][4]6,[8][9][10][11][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25] É um processo insensível ao ar e não envolve reações químicas, fatores que melhoram a processabilidade, além de manter as propriedades intrínsecas dos materiais. 4,11,16,17 Apresenta escalabilidade para a produção de uma grande variedade de (ou praticamente qualquer) nanomaterial bidimensional.…”

“…20 Além do tempo e potência do ultrassom, a escolha do solvente é crucial porque a energia superficial das nanolamelas cria uma tensão interfacial que deve ser superada para afastar as partículas, mantê--las separadas e evitar aglomerações. 1,3,4,9,11,14,18,21,23,25 Dessa forma, se a energia de superfície do solvente for semelhante à do material, a diferença de energia entre os estados esfoliados e reagregados será menor, reduzindo a força de atração entre as lamelas e estabilizando--as na dispersão. 3,4,14,21 Parâmetros de solubilidade também podem ser utilizados para melhor entender e caracterizar o fenômeno que ocorre entre material disperso e dispergente ou, de forma análoga, entre soluto e solvente, pois a obtenção de uma solução requer grande afinidade entre ambos.…”

“…1,3,4,9,11,14,18,21,23,25 Dessa forma, se a energia de superfície do solvente for semelhante à do material, a diferença de energia entre os estados esfoliados e reagregados será menor, reduzindo a força de atração entre as lamelas e estabilizando--as na dispersão. 3,4,14,21 Parâmetros de solubilidade também podem ser utilizados para melhor entender e caracterizar o fenômeno que ocorre entre material disperso e dispergente ou, de forma análoga, entre soluto e solvente, pois a obtenção de uma solução requer grande afinidade entre ambos. 4,11,16,21,[23][24][25] Muitos solventes têm sido investigados para a dispersão e esfoliação do h-BN em ultrassom, tais como álcool isopropílico (IPA), 4,6,10,14,[19][20][21]24 N, N-dimetil-formamida (DMF), 18 ácido metanossulfónico, 9 dimetilsulfóxido (DMSO), 4 N-metil-pirrolidona (NMP), 3,4,13 dispersantes como a solução de poli(m-fenileno vinileno--co-2,5-dioctoxi-p-fenileno vinileno) em 1,2-dicloroetano, 27 molécu-las de amina lipofílicas ou hidrofílicas, 26 ).…”

“…3,4,14,21 Parâmetros de solubilidade também podem ser utilizados para melhor entender e caracterizar o fenômeno que ocorre entre material disperso e dispergente ou, de forma análoga, entre soluto e solvente, pois a obtenção de uma solução requer grande afinidade entre ambos. 4,11,16,21,[23][24][25] Muitos solventes têm sido investigados para a dispersão e esfoliação do h-BN em ultrassom, tais como álcool isopropílico (IPA), 4,6,10,14,[19][20][21]24 N, N-dimetil-formamida (DMF), 18 ácido metanossulfónico, 9 dimetilsulfóxido (DMSO), 4 N-metil-pirrolidona (NMP), 3,4,13 dispersantes como a solução de poli(m-fenileno vinileno--co-2,5-dioctoxi-p-fenileno vinileno) em 1,2-dicloroetano, 27 molécu-las de amina lipofílicas ou hidrofílicas, 26 ). 4,29 Para melhorar a dispersão e esfoliação do h-BN existem tentativas bem sucedidas de combinar dois ou mais solventes durante a ultrassonificação, como etanol e água, [14][15][16]21,24 que, além da tensão superficial, consideram o tamanho das moléculas da mistura, sugerindo que moléculas maiores de solvente servem para estabilizar as lamelas individualmente dispersas de forma mais eficaz, evitando que elas se agreguem novamente.…”

“…4,29 Para melhorar a dispersão e esfoliação do h-BN existem tentativas bem sucedidas de combinar dois ou mais solventes durante a ultrassonificação, como etanol e água, [14][15][16]21,24 que, além da tensão superficial, consideram o tamanho das moléculas da mistura, sugerindo que moléculas maiores de solvente servem para estabilizar as lamelas individualmente dispersas de forma mais eficaz, evitando que elas se agreguem novamente. 14,21 Em estudo avaliando a eficiência da esfoliação por espectroscopia no UV-Vis, Marsh et al mostraram que as dispersões de h-BN em IPA apresentaram a máxima absorbância na concentração de 40% de solvente em água, correspondendo a uma tensão superficial de 25 mJ m -2 .…”