论文亮点
- 开发了一种新型闪中闪焦耳加热（FWF）方法，可在环境条件下5秒内合成13种过渡金属二硫属化物和9种非TMD材料
- FWF方法在可持续制造标准方面具有巨大优势，可实现克级规模化生产，并能制备相选择性和单晶块状粉末
研究背景
- 可持续制造需要优先考虑能源效率、最小化用水、可扩展性和生成多样化材料的能力，以在保持环境意识的同时推进无机材料生产
- 当前的制造实践无法满足这些要求，传统方法需要高温(>600°C)或长时间反应(数小时至数天)
- 现有的非平衡合成方法（如超快电阻焦耳加热）虽能减少能源使用，但通常需要满足特定的电导率要求，限制了试剂的可用性
研究方法
本研究采用了一种称为"闪中闪焦耳加热（FWF）"的非平衡超快热传导方法：
- 使用两个石英容器：一个外闪蒸容器填充廉价导电原料（如冶金焦炭），一个内半封闭反应器包含目标试剂
- 在环境气氛中对外容器应用闪焦耳加热（FJH），电流通过外容器中的导电原料，产生约2000°C的高温
- 外容器冶金焦炭产生的强烈热量通过热传导传递到内容器，实现内容器中试剂的超快速加热
- 通过占空比（10%强度1秒，20%强度0.5秒，50%强度5秒）的脉冲放电，实现温度、压力和体积的连续变化
- 开发了三种不同的反应设计（类型1、类型2和类型3）以解决转化不完全和副反应等问题
- 整个合成过程在5秒内完成，展示了FWF的超快动力学特性
主要结论
- FWF方法克服了传统基于平衡的大规模合成方法的局限性，实现了更快的反应速率和减少了对溶剂、水和能源的依赖
- FWF提供了一种多功能、高效和可扩展的方案，可用于生产各种无机化合物，并具有对合成参数的出色控制，以生产相选择性和单晶块状粉末
- FWF通过掺杂和克级可扩展性展示了材料改性的灵活性，为以极低成本环保地获取设计的无机材料提供了希望
图1: 闪中闪焦耳加热（FWF）示意图
图1: 闪中闪焦耳加热（FWF）。(a) FWF示意图；(b) 340V FWF反应的电流(蓝色)和温度(黑色)曲线；(c) 类型2: 多次FWF反应；(d) 类型3: 阴离子交换FWF反应
内容分析
图1展示了FWF方法的原理和特性：
- 图1a显示了FWF的基本设计，包括外容器和内容器的结构
- 图1b展示了340V FWF反应的电流和温度曲线，不同虚线框对应不同的占空比区域
- 图1c描述了类型2反应（多次连续FWF反应），用于实现未反应前体的完全转化
- 图1d描述了类型3反应（阴离子交换FWF反应），用于绕过意外的副反应
分析结果
FWF方法通过热传导实现超快速加热，允许在环境条件下进行非平衡反应。类型2和类型3反应设计分别解决了部分转化和副反应问题，增强了该方法的适用性和灵活性。
图2: 克级可扩展性和生命周期评估
图2: 克级可扩展性和生命周期评估。(a) 克级反应获得的1.11g WSe2粉末；(b) WSe2的XRD谱；(c) Se 3d XPS谱；(d) W 4f XPS谱；(e) 累积能源需求分析；(f) 全球变暖潜能分析；(g) 累积用水分析；(h) 初步估计产品成本
内容分析
图2展示了FWF方法的可扩展性和可持续性优势：
- 图2a显示了通过单次反应合成的1.11g WSe2粉末
- 图2b-d通过XRD和XPS分析证实了产品的高纯度和结晶性
- 图2e-g比较了FWF与高压釜和CVT方法在能源需求、全球变暖潜能和水使用方面的差异
- 图2h展示了FWF在成本方面的优势
分析结果
FWF方法实现了克级规模化生产，XRD和XPS分析显示产品具有高纯度和结晶性，无明显的副产物或初始前体残留。生命周期评估表明，与高压釜和CVT方法相比，FWF合成MoSe2可减少56-83%的能源使用，减少71-94%的温室气体产生，并减少90-97%的用水量。技术经济评估显示FWF为无机材料制备提供了巨大的成本节约。
图3: FWF的多样化反应和产物
图3: FWF的多样化反应和产物。(a) 用于FWF反应的元素列表；(b) 所有最终产物与初始闪蒸电压的关系；(c-e) SnS2、SnSe2和Se掺杂SnS2的ADF-STEM图像和EDX图谱；(f-h) MoSe2、WSe2和In2Se3的ADF-STEM图像和EDX图谱
内容分析
图3展示了FWF方法的多样性和灵活性：
- 图3a列出了用于FWF反应的元素和相应的阴离子组成
- 图3b显示了所有最终产物与初始闪蒸电压的关系
- 图3c-e展示了SnS2、SnSe2和Se掺杂SnS2的ADF-STEM图像和EDX图谱
- 图3f-h展示了MoSe2(n型)、WSe2(p型)和In2Se3(铁电性)的ADF-STEM图像和EDX图谱
分析结果
通过控制电压和试剂 alone，FWF方法成功制备了13种TMD和9种非TMD材料。ADF-STEM和EDX分析证实了这些化合物的成功合成，显示了试剂依赖的可调性和掺杂(取代)能力。值得注意的是，通过简单地将初始前体替换为SeS2，形成了Se掺杂的SnS2(表示为SnSxSey)，EDX谱表明Se均匀分布且具有高结晶度。
图4: FWF产物的电学特性表征
图4: FWF产物的电学特性表征。(a) 场效应晶体管(FET)器件几何结构示意图；(b) MoSe2、WSe2和In2Se3在各自FET器件中的截面ADF-STEM图像；(c-e) n型MoSe2、p型WSe2和铁电性In2Se3的代表性转移曲线；(f-g) n型MoSe2和p型WSe2 FET器件的代表性输出曲线；(h) 铁电性In2Se3 FET器件的耐久性特性
内容分析
图4展示了FWF制备材料的电学特性：
- 图4a显示了实验FET器件的几何结构示意图
- 图4b展示了MoSe2、WSe2和In2Se3在FET器件中的截面ADF-STEM图像
- 图4c-e分别展示了n型MoSe2、p型WSe2和铁电性In2Se3的代表性转移曲线
- 图4f-g展示了n型MoSe2和p型WSe2 FET器件的输出曲线
- 图4h展示了铁电性In2Se3 FET器件的耐久性特性
分析结果
FWF制备的材料表现出优异的电学特性：MoSe2显示n型半导体特性，WSe2显示p型半导体特性，α-In2Se3表现出铁电特性。MoSe2实现了1.1×10^6的开/关比和6.81 cm²·V⁻¹·s⁻¹的迁移率，WSe2实现了1.74×10^4的开/关比和2.96 cm²·V⁻¹·s⁻¹的迁移率。α-In2Se3的耐久性测试显示，在1000次循环中性能没有退化，开/关比约为10^2，表现出与化学气相沉积生长的α-In2Se3相当的高耐久性。
图5: 摩擦学性能比较分析
图5: 摩擦学性能比较分析。(a) 参考氧化铝、商用MoSe2和FWF MoSe2的120,000次测量中时间依赖的摩擦系数(COF)变化；(b) 参考氧化铝、商用MoSe2和FWF MoSe2的力依赖COF变化
内容分析
图5比较了商用MoSe2和FWF MoSe2的摩擦学性能：
- 图5a显示了时间依赖的摩擦系数变化，比较了参考氧化铝、商用MoSe2和FWF MoSe2
- 图5b显示了在不同载荷下(1N, 5N, 10N)，参考氧化铝、商用MoSe2和FWF MoSe2的摩擦系数变化
分析结果
FWF MoSe2在摩擦学性能上优于商用MoSe2。在测试的初始阶段，商用MoSe2和FWF MoSe2的摩擦系数基本无法区分，但运行2分钟后，商用MoSe2的摩擦系数显著增加。在不同载荷下，FWF MoSe2均优于商用MoSe2，在1N、5N和10N的施加载荷下，摩擦系数分别降低了69%、20%和41%。这种优越且稳定的性能可能归因于FWF MoSe2的单晶性质，导致整体摩擦系数降低和摩擦学性能增强。