Few layer black phosphorus is a new two-dimensional material which is of great interest for applications, mainly in electronics. However, its lack of stability severely limits our ability to synthesise and process this material. Here we demonstrate that high-quality, few-layer black phosphorus nanosheets can be produced in large quantities by liquid phase exfoliation in the solvent N-cyclohexyl-2-pyrrolidone (CHP). We can control nanosheet dimensions and have developed metrics to estimate both nanosheet size and thickness spectroscopically. When exfoliated in CHP, the nanosheets are remarkably stable unless water is intentionally introduced. Computational studies show the degradation to occur by reaction with water molecules only at the nanosheet edge, leading to the removal of phosphorus atoms and the formation of phosphine and phosphorous acid. We demonstrate that liquid exfoliated black phosphorus nanosheets are potentially useful in a range of applications from optical switches to gas sensors to fillers for composite reinforcement.

We have studied the dispersion and exfoliation of four inorganic layered compounds, WS2, MoS2, MoSe2, and MoTe2, in a range of organic solvents. The aim was to explore the relationship between the chemical structure of the exfoliated nanosheets and their dispersibility. Sonication of the layered compounds in solvents generally gave few-layer nanosheets with lateral dimensions of a few hundred nanometers. However, the dispersed concentration varied greatly from solvent to solvent. For all four materials, the concentration peaked for solvents with surface energy close to 70 mJ/m2, implying that all four have surface energy close to this value. Inverse gas chromatography measurements showed MoS2 and MoSe2 to have surface energies of ∼75 mJ/m2, in good agreement with dispersibility measurements. However, this method suggested MoTe2 to have a considerably larger surface energy (∼120 mJ/m2). While surface-energy-based solubility parameters are perhaps more intuitive for two-dimensional materials, Hansen solubility parameters are probably more useful. Our analysis shows the dispersed concentration of all four layered materials to show well-defined peaks when plotted as a function of Hansen's dispersive, polar, and H-bonding solubility parameters. This suggests that we can associate Hansen solubility parameters of δD ∼ 18 MPa1/2, δP ∼ 8.5 MPa1/2, and δH ∼ 7 MPa1/2 with all four types of layered material. Knowledge of these properties allows the estimation of the Flory–Huggins parameter, χ, for each combination of nanosheet and solvent. We found that the dispersed concentration of each material falls exponentially with χ as predicted by solution thermodynamics. This work shows that solution thermodynamics and specifically solubility parameter analysis can be used as a framework to understand the dispersion of two-dimensional materials. Finally, we note that in good solvents, such as cyclohexylpyrrolidone, the dispersions are temporally stable with >90% of material remaining dispersed after 100 h.

Although transition metal dichalcogenides such as MoS2 have been recognized as highly potent two-dimensional nanomaterials, general methods to chemically functionalize them are scarce. Herein, we demonstrate a functionalization route that results in organic groups bonded to the MoS2 surface via covalent C–S bonds. This is based on lithium intercalation, chemical exfoliation and subsequent quenching of the negative charges residing on the MoS2 by electrophiles such as diazonium salts. Typical degrees of functionalization are 10–20 atom % and are potentially tunable by the choice of intercalation conditions. Significantly, no further defects are introduced, and annealing at 350 °C restores the pristine 2H-MoS2. We show that, unlike both chemically exfoliated and pristine MoS2, the functionalized MoS2 is very well dispersible in anisole, confirming a significant modification of the surface properties by functionalization. DFT calculations show that the grafting of the functional group to the sulfur atoms of (charged) MoS2 is energetically favorable and that S–C bonds are formed.