Дисульфид молибдена - Molybdenum disulfide
Имена | |
---|---|
Название ИЮПАК
Дисульфид молибдена
|
|
Другие имена
Сульфид молибдена (IV)
|
|
Идентификаторы | |
3D модель ( JSmol )
|
|
ЧЭБИ | |
ChemSpider | |
ECHA InfoCard | 100.013.877 |
PubChem CID
|
|
Номер RTECS | |
UNII | |
Панель управления CompTox ( EPA )
|
|
|
|
|
|
Характеристики | |
MoS 2 |
|
Молярная масса | 160,07 г / моль |
Появление | черный / свинцово-серый твердый |
Плотность | 5,06 г / см 3 |
Температура плавления | 2375 ° С (4307 ° F, 2648 К) |
нерастворимый | |
Растворимость | разлагается царской водкой , горячей серной кислотой , азотной кислотой, нерастворимой в разбавленных кислотах |
Ширина запрещенной зоны | 1,23 эВ (непрямой, 3R или 2H объемный) ~ 1,8 эВ (прямой, монослой) |
Состав | |
hP6 , P6 3/ mmc , № 194 (2H) |
|
a = 0,3161 нм (2H), 0,3163 нм (3R), c = 1,2295 нм (2H), 1,837 (3R)
|
|
Тригонально-призматический (Mo IV ) Пирамидальный (S 2- ) |
|
Опасности | |
Паспорт безопасности | Внешний паспорт безопасности материала |
Родственные соединения | |
Другие анионы
|
Оксид молибдена (IV) Диселенид молибдена Дителлурид молибдена |
Другие катионы
|
Дисульфид вольфрама |
Сопутствующие смазочные материалы
|
Графитовый |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). |
|
проверить ( что есть ?) | |
Ссылки на инфобоксы | |
Дисульфид молибдена (или молибден) - это неорганическое соединение, состоящее из молибдена и серы . Его химическая формула - MoS
2.
Соединение классифицируется как дихалькогенид переходного металла . Это серебристо-черное твердое вещество, которое встречается в виде минерала молибденита , основной руды молибдена. MoS
2относительно инертный. На него не действуют разбавленные кислоты и кислород . По внешнему виду и ощущениям ди сульфид молибдена похож на графит . Он широко используется в качестве сухой смазки из-за низкого трения и прочности. Массовый MoS
2является диамагнитным , непрямой запрещенной зоны полупроводника похож на кремнии , с шириной запрещенной зоны 1,23 эВ.
Производство
MoS 2 в природе встречается в виде молибденита , кристаллического минерала, или йордизита, редкой низкотемпературной формы молибденита. Молибденитная руда обрабатывается флотацией для получения относительно чистого MoS.
2. Главный загрязнитель - углерод. MoS
2также возникает при термической обработке практически всех соединений молибдена сероводородом или элементарной серой и может быть получен реакциями метатезиса из пентахлорида молибдена .
Структура и физические свойства
Кристаллические фазы
Все формы MoS
2имеют слоистую структуру, в которой плоскость атомов молибдена зажата плоскостями сульфид-ионов. Эти три слоя образуют монослой MoS 2 . Объемный MoS 2 состоит из сложенных монослоев, которые удерживаются вместе за счет слабых ван-дер-ваальсовых взаимодействий.
Кристаллический MoS 2 встречается в природе как одна из двух фаз, 2H-MoS 2 и 3R-MoS 2 , где «H» и «R» обозначают гексагональную и ромбоэдрическую симметрию соответственно. В обеих этих структурах каждый атом молибдена находится в центре тригональной призматической координационной сферы и ковалентно связан с шестью сульфид-ионами. Каждый атом серы имеет пирамидальную координацию и связан с тремя атомами молибдена. Обе фазы 2H и 3R являются полупроводниками.
Третья, метастабильная кристаллическая фаза, известная как 1T-MoS 2, была открыта путем интеркалирования 2H-MoS 2 щелочными металлами. Эта фаза имеет тетрагональную симметрию и является металлической. 1T-фаза может быть стабилизирована путем легирования электронными донорами, такими как рений, или преобразована обратно в 2H-фазу с помощью микроволнового излучения.
Аллотропы
Молекулы типа нанотрубок и бакибола , состоящие из MoS
2 известны.
Отшелушенные хлопья MoS 2
В то время как объемный MoS 2 в 2H-фазе, как известно, является полупроводником с непрямой запрещенной зоной, монослой MoS 2 имеет прямую запрещенную зону. Оптоэлектронные свойства MoS 2 , зависящие от слоев , способствовали большим исследованиям в двумерных устройствах на основе MoS 2 . 2D MoS 2 может быть получен путем расслаивания объемных кристаллов с образованием однослойных или многослойных хлопьев либо с помощью сухого, микромеханического процесса, либо путем обработки в растворе.
Микромеханическое отшелушивание, также прагматично называемое « отшелушивание скотчем », включает использование адгезивного материала для многократного отслаивания слоистого кристалла путем преодоления сил Ван-дер-Ваальса. Затем кристаллические чешуйки можно переносить с клейкой пленки на подложку. Этот простой метод был впервые использован Новоселовым и Геймом для получения графена из кристаллов графита. Однако его нельзя использовать для однородных одномерных слоев из-за более слабой адгезии MoS 2 к подложке (кремнию, стеклу или кварцу). Вышеупомянутая схема годна только для графена. Хотя в качестве клейкой ленты обычно используется скотч, штампы PDMS также могут удовлетворительно расщеплять MoS 2, если важно избежать загрязнения хлопьев остаточным клеем.
Отшелушивание в жидкой фазе также можно использовать для получения монослойного или многослойного MoS 2 в растворе. Некоторые методы включают интеркаляцию лития для отслоения слоев и обработку ультразвуком в растворителе с высоким поверхностным натяжением.
Механические свойства
MoS 2 отлично подходит в качестве смазочного материала (см. Ниже) благодаря своей слоистой структуре и низкому коэффициенту трения . Межслойное скольжение рассеивает энергию, когда к материалу прикладывается напряжение сдвига. Была проведена обширная работа по определению коэффициента трения и прочности MoS 2 на сдвиг в различных атмосферах. Прочность на сдвиг Мос 2 увеличивается по мере увеличения коэффициента трения. Это свойство называется сверхсмазкой . В условиях окружающей среды коэффициент трения для MoS 2 был определен равным 0,150 с соответствующим расчетным пределом прочности на сдвиг 56,0 МПа. Прямые методы измерения прочности на сдвиг показывают, что значение ближе к 25,3 МПа.
Износостойкость MoS 2 в смазочных материалах может быть увеличена за счет легирования MoS 2 хромом. Эксперименты по микроиндентированию наностолбиков MoS 2, легированного Cr, показали, что предел текучести увеличился со среднего значения 821 МПа для чистого MoS 2 (0 ат.% Cr) до 1017 МПа для 50 ат.%. % Cr. Повышение предела текучести сопровождается изменением режима разрушения материала. В то время как наностолбик из чистого MoS 2 выходит из строя из-за механизма пластического изгиба, режимы хрупкого разрушения становятся очевидными по мере того, как материал нагружается увеличивающимся количеством легирующей примеси.
Широко используемый метод микромеханического отшелушивания был тщательно изучен в MoS 2, чтобы понять механизм расслаивания от нескольких слоев до многослойных хлопьев. Было обнаружено, что точный механизм расщепления зависит от слоя. Хлопья толщиной менее 5 слоев подвергаются однородному изгибу и волнистости, а хлопья толщиной около 10 слоев расслаиваются за счет межслоевого скольжения. Чешуйки с более чем 20 слоями демонстрировали механизм перегиба при микромеханическом раскалывании. Также было установлено, что расщепление этих чешуек является обратимым из-за природы ван-дер-ваальсовых связей.
В последние годы MoS 2 использовался в гибких электронных приложениях, что способствовало большему исследованию упругих свойств этого материала. Испытания на наноскопический изгиб с использованием кантилеверов AFM были выполнены на микромеханически расслоенных хлопьях MoS 2, которые были нанесены на дырявую подложку. Предел текучести однослойных чешуек составлял 270 ГПа, в то время как более толстые чешуйки также были более жесткими с пределом текучести 330 ГПа. Молекулярно-динамическое моделирование показало, что предел текучести в плоскости MoS 2 составляет 229 ГПа, что с точностью до ошибки совпадает с экспериментальными результатами.
Бертолацци с соавторами также охарактеризовали режимы разрушения подвешенных однослойных хлопьев. Напряжение при разрушении колеблется от 6 до 11%. Средний предел текучести монослоя MoS 2 составляет 23 ГПа, что близко к теоретической прочности на разрушение бездефектного MoS 2 .
Ленточная структура MoS 2 чувствительна к деформации.
Химические реакции
Дисульфид молибдена устойчив на воздухе и подвергается воздействию только агрессивных реагентов . Он реагирует с кислородом при нагревании с образованием триоксида молибдена :
- 2 MoS
2+ 7 O
2→ 2 MoO
3+ 4 СО
2
Хлор атакует дисульфид молибдена при повышенных температурах с образованием пентахлорида молибдена :
- 2 MoS
2+ 7 кл
2→ 2 MoCl
5+ 2 S
2Cl
2
Реакции интеркаляции
Дисульфид молибдена является хозяином для образования интеркаляционных соединений . Такое поведение имеет отношение к его использованию в качестве катодного материала в батареях. Одним из примеров является литиированный материал Li
ИксMoS
2. Продукт с бутиллитием представляет собой LiMoS.
2.
Приложения
Смазка
Из-за слабого ван-дер-ваальсова взаимодействия между слоями атомов сульфидов MoS
2имеет низкий коэффициент трения . MoS
2с размером частиц в диапазоне 1–100 мкм - это обычная сухая смазка . Существует несколько альтернатив, которые обеспечивают высокую смазывающую способность и стабильность при температуре до 350 ° C в окислительной среде. Испытания на трение скольжения MoS
2использование штифта на дисковом тестере при малых нагрузках (0,1–2 Н) дает значения коэффициента трения <0,1.
MoS
2часто входит в состав смесей и композитов, требующих низкого трения. Например, его добавляют в графит для улучшения прилипания. Используются различные масла и консистентные смазки , поскольку они сохраняют свою смазывающую способность даже в случаях почти полной потери масла, что позволяет находить применение в таких критических областях, как авиационные двигатели . При добавлении в пластик , MoS
2образует композит с повышенной прочностью, а также с пониженным трением. Полимеры, которые могут быть наполнены MoS
2включают нейлон ( торговое название Nylatron ), тефлон и веспел . Самосмазывающиеся композитные покрытия для высокотемпературных применений состоят из дисульфида молибдена и нитрида титана с использованием химического осаждения из паровой фазы .
Примеры приложений MoS
2К смазочным материалам относятся двухтактные двигатели (например, двигатели мотоциклов), велосипедные горки , автомобильные CV и универсальные шарниры , лыжные воски и пули .
Другие слоистые неорганические материалы, которые проявляют смазывающие свойства (все вместе известные как твердые смазочные материалы (или сухие смазочные материалы)), включают графит, для которого требуются летучие добавки, и гексагональный нитрид бора .
Катализ
MoS
2используется в качестве сокатализатора обессеривания в нефтехимии , например, при гидрообессеривании . Эффективность MoS
2катализаторы улучшаются за счет легирования небольшими количествами кобальта или никеля . Однородная смесь этих сульфидов поддерживаются на окиси алюминия . Такие катализаторы генерируются in situ путем обработки оксида алюминия, пропитанного молибдатом / кобальтом или никелем, H
2S или аналогичный реагент. Катализ происходит не на регулярных пластинчатых участках кристаллитов, а на краях этих плоскостей.
MoS 2 находит применение в качестве катализатора гидрирования в органическом синтезе . Он получен из обычного переходного металла , а не из металла группы 10, как много альтернатив, MoS 2 выбирается, когда цена катализатора или устойчивость к отравлению серой имеют первостепенное значение. MoS 2 эффективен для гидрирования нитросоединений до аминов и может использоваться для получения вторичных аминов посредством восстановительного алкилирования . Катализатор также может может осуществлять гидрогенолиз из органических соединений серы , альдегидов , кетонов , фенолов и карбоновых кислот в их соответствующие алкан . Однако катализатор имеет довольно низкую активность, часто требующую давления водорода выше 95 атм и температуры выше 185 ° C.
Исследовать
Выделение водорода
MoS
2и родственные сульфиды молибдена являются эффективными катализаторами выделения водорода, включая электролиз воды ; таким образом, возможно, полезны для производства водорода для использования в топливных элементах .
Микроэлектроника
Как и в графене , слоистые структуры MoS
2и другие дихалькогениды переходных металлов обладают электронными и оптическими свойствами, которые могут отличаться от свойств в массе. Массовый MoS
2имеет непрямую запрещенную зону 1,2 эВ, в то время как MoS
2монослои имеют прямую электронную запрещенную зону 1,8 эВ , поддерживающую переключаемые транзисторы и фотодетекторы .
MoS
2нанофлейки могут быть использованы для изготовления слоистых мемристивных и мем-емкостных устройств на основе растворов путем разработки MoO
Икс/ MoS
2гетероструктура, зажатая между серебряными электродами. MoS
2мемристоры на основе механически гибкие, оптически прозрачные и могут производиться с низкими затратами.
Чувствительность биосенсора на графеновых полевых транзисторах (FET) принципиально ограничена нулевой шириной запрещенной зоны графена, что приводит к увеличению утечки и снижению чувствительности. В цифровой электронике транзисторы управляют током через интегральную схему и обеспечивают усиление и переключение. При биочувствительности физический барьер удаляется, и связь между встроенными молекулами рецептора и заряженными биомолекулами-мишенями, которым они подвергаются, модулирует ток.
MoS 2 был исследован как компонент гибких схем.
В 2017 году 115-транзисторная, 1-битная реализация микропроцессора с использованием двумерного MoS
2.
MoS 2 был использован для создания 2D 2-концевых мемристоров и 3-концевых мем - транзисторов .
Фотоника и фотовольтаика
MoS
2также обладает механической прочностью, электропроводностью и может излучать свет, открывая такие возможности, как фотодетекторы. MoS
2 был исследован как компонент фотоэлектрохимических (например, для фотокаталитического производства водорода) приложений и приложений микроэлектроники.
Сверхпроводимость монослоев
Под электрическим полем MoS
2 монослои обладают сверхпроводимостью при температурах ниже 9,4 К.