To progress from the laboratory to commercial applications, it will be necessary to develop industrially scalable methods to produce large quantities of defect-free graphene. Here we show that high-shear mixing of graphite in suitable stabilizing liquids results in large-scale exfoliation to give dispersions of graphene nanosheets. X-ray photoelectron spectroscopy and Raman spectroscopy show the exfoliated flakes to be unoxidized and free of basal-plane defects. We have developed a simple model that shows exfoliation to occur once the local shear rate exceeds 104 s−1. By fully characterizing the scaling behaviour of the graphene production rate, we show that exfoliation can be achieved in liquid volumes from hundreds of millilitres up to hundreds of litres and beyond. The graphene produced by this method performs well in applications from composites to conductive coatings. This method can be applied to exfoliate BN, MoS2 and a range of other layered crystals. Methods to achieve large-scale production of defect-free graphene are needed to enable the commercial development of graphene-based devices. It is now shown that high-shear mixing is an effective way to exfoliate graphene and other two-dimensional materials in liquid volumes up to hundreds of litres.

Two-dimensional (2D) transition metal carbides and nitrides (MXenes) have shown outstanding performances in electrochemical energy storage and many other applications. Delamination of MXene flakes in water produces colloidal solutions that are used to manufacture all kinds of products (thin films, coatings, and electrodes, etc.). However, the stability of MXene colloidal solutions, which is of critical importance to their application, remains largely unexplored. Here we report on the degradation of delaminated-Ti3C2Tx colloidal solutions (T represents the surface functionalities) and outline protocols to improve their stability. Ti3C2Tx MXene solutions in open vials degraded by 42%, 85%, and 100% after 5, 10, and 15 days, respectively, leading to the formation of cloudy-white colloidal solutionss containing primarily anatase (TiO2). On the other hand, the solution could be well-preserved when Ti3C2Tx MXene colloidal solutionss were stored in hermetic Ar-filled bottles at 5 °C, because dissolved oxygen, the main oxidant of the MXene flakes, was eliminated. Under such a recipe, the time constant of the solution was dramatically increased. We have found that the degradation starts at the edges and its kinetics follows the single-exponential decay quite well. Moreover, we performed size selection of the MXene solution via a cascade technique and showed that the degradation process is also size-dependent, with the small flakes being the least stable. Furthermore, a dependence between the degradation time constants and the flake size allows us to determine the size of the nanosheets in situ from UV–vis spectra and vice versa. Finally, the proposed method of storing the MXene colloidal solution in Ar-filled vials was applied to Ti2CTx to improve its stability and time constant, demonstrating the validity of this protocol in improving the lifetime of different MXene solutions.

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.

2D transition‐metal carbides and nitrides, known as MXenes, have displayed promising properties in numerous applications, such as energy storage, electromagnetic interference shielding, and catalysis. Titanium carbide MXene (Ti 3 C 2 T x ), in particular, has shown significant energy‐storage capability. However, previously, only micrometer‐thick, nontransparent films were studied. Here, highly transparent and conductive Ti 3 C 2 T x films and their application as transparent, solid‐state supercapacitors are reported. Transparent films are fabricated via spin‐casting of Ti 3 C 2 T x nanosheet colloidal solutions, followed by vacuum annealing at 200 °C. Films with transmittance of 93% (≈4 nm) and 29% (≈88 nm) demonstrate DC conductivity of ≈5736 and ≈9880 S cm −1 , respectively. Such highly transparent, conductive Ti 3 C 2 T x films display impressive volumetric capacitance (676 F cm −3 ) combined with fast response. Transparent solid‐state, asymmetric supercapacitors (72% transmittance) based on Ti 3 C 2 T x and single‐walled carbon nanotube (SWCNT) films are also fabricated. These electrodes exhibit high capacitance (1.6 mF cm −2 ) and energy density (0.05 µW h cm −2 ), and long lifetime (no capacitance decay over 20 000 cycles), exceeding that of graphene or SWCNT‐based transparent supercapacitor devices. Collectively, the Ti 3 C 2 T x films are among the state‐of‐the‐art for future transparent, conductive, capacitive electrodes, and translate into technologically viable devices for next‐generation wearable, portable electronics.

Abstract Direct printing of functional inks is critical for applications in diverse areas including electrochemical energy storage, smart electronics and healthcare. However, the available printable ink formulations are far from ideal. Either surfactants/additives are typically involved or the ink concentration is low, which add complexity to the manufacturing and compromises the printing resolution. Here, we demonstrate two types of two-dimensional titanium carbide (Ti 3 C 2 T x ) MXene inks, aqueous and organic in the absence of any additive or binary-solvent systems, for extrusion printing and inkjet printing, respectively. We show examples of all-MXene-printed structures, such as micro-supercapacitors, conductive tracks and ohmic resistors on untreated plastic and paper substrates, with high printing resolution and spatial uniformity. The volumetric capacitance and energy density of the all-MXene-printed micro-supercapacitors are orders of magnitude greater than existing inkjet/extrusion-printed active materials. The versatile direct-ink-printing technique highlights the promise of additive-free MXene inks for scalable fabrication of easy-to-integrate components of printable electronics.

Abstract The fast growth of portable smart electronics and internet of things have greatly stimulated the demand for miniaturized energy storage devices. Micro‐supercapacitors (MSCs), which can provide high power density and a long lifetime, are ideal stand‐alone power sources for smart microelectronics. However, relatively few MSCs exhibit both high areal and volumetric capacitance. Here rapid production of flexible MSCs is demonstrated through a scalable, low‐cost stamping strategy. Combining 3D‐printed stamps with arbitrary shapes and 2D titanium carbide or carbonitride inks (Ti 3 C 2 T x and Ti 3 CNT x , respectively, known as MXenes), flexible all‐MXene MSCs with controlled architectures are produced. The interdigitated Ti 3 C 2 T x MSC exhibits high areal capacitance: 61 mF cm −2 at 25 µA cm −2 and 50 mF cm −2 as the current density increases by 32 fold. The Ti 3 C 2 T x MSCs also showcase capacitive charge storage properties, good cycling lifetime, high energy and power densities, etc. The production of such high‐performance Ti 3 C 2 T x MSCs can be easily scaled up by designing pad or cylindrical stamps, followed by a cold rolling process. Collectively, the rapid, efficient production of flexible all‐MXene MSCs with state‐of‐the‐art performance opens new exciting opportunities for future applications in wearable and portable electronics.

Two-dimensional nanomaterials such as MoS2 are of great interest both because of their novel physical properties and their applications potential. Liquid exfoliation, an important production method, is limited by our inability to quickly and easily measure nanosheet size, thickness or concentration. Here we demonstrate a method to simultaneously determine mean values of these properties from an optical extinction spectrum measured on a liquid dispersion of MoS2 nanosheets. The concentration measurement is based on the size-independence of the low-wavelength extinction coefficient, while the size and thickness measurements rely on the effect of edges and quantum confinement on the optical spectra. The resultant controllability of concentration, size and thickness facilitates the preparation of dispersions with pre-determined properties such as high monolayer-content, leading to first measurement of A-exciton MoS2 luminescence in liquid suspensions. These techniques are general and can be applied to a range of two-dimensional materials including WS2, MoSe2 and WSe2.

High-performance sensors based on molybdenum disulfide (MoS2 ) grown by sulfurization of sputtered molybdenum layers are presented. Using a simple integration scheme, it is found that the electrical conductivity of MoS2 films is highly sensitive to NH3 adsorption, consistent with n-type semiconducting behavior. A sensitivity of 300 ppb at room temperature is achieved, showing the high potential of 2D transition metal-dichalcogenides for sensing.

This work describes silicon nanoparticle-based lithium-ion battery negative electrodes where multiple nonactive electrode additives (usually carbon black and an inert polymer binder) are replaced with a single conductive binder, in this case, the conducting polymerPSS. While enabling the production of well-mixed slurry-cast electrodes with high silicon content (up to 95 wt %), this combination eliminates the well-known occurrence of capacity losses due to physical separation of the silicon and traditional inorganic conductive additives during repeated lithiation/delithiation processes. Using an in situ secondary doping treatment of thePSS with small quantities of formic acid, electrodes containing 80 wt % SiNPs can be prepared with electrical conductivity as high as 4.2 S/cm. Even at the relatively high areal loading of 1 mg/cm(2), this system demonstrated a first cycle lithiation capacity of 3685 mA·h/g (based on the SiNP mass) and a first cycle efficiency of ∼78%. After 100 repeated cycles at 1 A/g this electrode was still able to store an impressive 1950 mA·h/g normalized to Si mass (∼75% capacity retention), corresponding to 1542 mA·h/g when the capacity is normalized by the total electrode mass. At the maximum electrode thickness studied (∼1.5 mg/cm(2)), a high areal capacity of 3 mA·h/cm(2) was achieved. Importantly, these electrodes are based on commercially available components and are produced by the standard slurry coating methods required for large-scale electrode production. Hence, the results presented here are highly relevant for the realization of commercial LiB negative electrodes that surpass the performance of current graphite-based negative electrode systems.

The optical nonlinearity of WS2 and MoS2 monolayer and few-layer films was investigated using the Z-scan technique with femtosecond pulses from the visible to the near-infrared range. The nonlinear absorption of few- and multilayer WS2 and MoS2 films and their dependences on excitation wavelength were studied. WS2 films with 1–3 layers exhibited a giant two-photon absorption (TPA) coefficient as high as (1.0 ± 0.8) × 104 cm/GW. TPA saturation was observed for the WS2 film with 1–3 layers and for the MoS2 film with 25–27 layers. The giant nonlinearity of WS2 and MoS2 films is attributed to a two-dimensional confinement, a giant exciton effect, and the band edge resonance of TPA.