[發明專利]一種快速合成硫化鎢納米粉末的方法

有效

• 申請號: 201610539953.4
• 申請日: 2016-07-08
• 公開（公告）號: CN106186072B
• 公開（公告）日: 2017-11-28
• 發明（設計）人: 洪昆權;葛興
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: C01G41/00
• 分類號: C01G41/00
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙)32204
• 代理人: 李倩

技術領域

本發明涉及一種快速合成硫化鎢納米粉末的方法，屬于納米材料制備領域。

背景技術

過渡金屬硫化物具有類似石墨的層狀結構，其層內以強的共價鍵結合，而層間靠微弱的范德華力結合，因此層與層很容易剝離，具有良好的各向異性及較低的摩擦系數。二硫化鎢(WS₂)作為一種典型的過渡金屬硫化物，在光學，電學，催化和機械等很多方面具有獨特的性能，被廣泛應用于電極材料、催化劑、固體潤滑劑等各種領域。特別是在固體潤滑劑方面，它不僅適用于一般的潤滑條件，在一定高溫、高壓、高真空、高負荷、有輻射線及腐蝕性的環境中也具有很好的潤滑效果。優良的潤滑性能使其在航空航天以及國防領域中有著舉足輕重的地位。此外也可以用于石油化工生產脫硫催化劑、彈性涂層材料、儲氫材料、儲鋰電極材料、催化加氫等。

除了少量天然形成的硫化鎢，硫化鎢一般通過化學方法制取。利用鎢單質作為鎢源，需要將鎢化合物提煉為單質鎢，具有原料昂貴、反應時間長等缺點，難以大規模推廣。采用氧化鎢硫化法被認為是較好的替代途徑。以色列R.Tenne研究組首先用H₂S作為硫源，和WO₃在氣氛中反應(800-1000℃)，生成層狀WS₂納米粒子和納米管[Nature 1992，360，444]，并改進實驗裝置后實現了WS₂的小批量制備[Solid State Sci.2000，2，663]。相似的硫源(如CS₂)也被采用[Nanotechnology 2011，22，285714]，這種方法隨后也被廣泛用來制備MoS₂等相似的金屬硫族化合物，這是目前氣相法獲得MoS₂納米材料的主要方法之一[J.Am.Chem.Soc.2000，122，11108]。在這些方法中，不僅硫源毒性較高，而且需要采用較高的溫度(800-1000℃)。

目前工業上大批量制備WS₂粉體主要采用硫代鎢酸銨法，利用硫化氫通入鎢酸銨溶液，形成硫代鎢酸銨，然后加熱分解硫代鎢酸銨獲得硫化鎢。然而，H₂S是一種劇毒氣體，極低濃度的硫化氫泄漏即具有致命的毒性，安全性較低。在使用基本無毒性的硫單質作為硫源的方法上，清華大學李亞棟研究組首先報道了相似的技術，通過將MoO₃納米線和硫粉快速推入氬氣保護的管式爐中間，獲得了MoS₂納米帶和納米管[Chem.Eur.J.2003，9，2726]。在氣相反應機理上，根據氧化鎢粉和硫化氫反應的實驗結果，Y.Feldman和R.Tenne等人[J.Am.Chem.Soc.1998，120，4176]建立了氧化鎢硫化的動力學模型，認為氧化鎢在高溫下表面產生氧空位，硫原子填充氧空位的速度快于從氧空位脫出的氧，從而形成硫化鎢，氧化鎢硫化被認為是一種硫填充氧空位的機制。其化學成分取決于氧原子填充氧空位的速度和硫原子填充氧空位速度的競爭，他們發現在900℃以上的溫度下，氧含量反而上升，這解釋為氧填充氧空位速度高于硫的原因。因此根據這種模型，氧化鎢轉化為硫化鎢是逐層往內轉化的機制，外層已形成的硫化鎢成為內層氧化鎢硫化的障礙，隨硫化鎢層數增加轉化速度逐漸下降，這導致較大的顆粒需要極長的時間才能完全轉化為硫化鎢。因此在各個文獻及專利報道中，無論是利用氧化鎢和硫化氫反應，還是鎢粉和單質硫反應，均需要較長的時間，甚至長達十幾個小時，例如顧進躍等[CN 103420423 A 2013.12.04]以鎢酸和三硫化銨為原料，分兩步法加熱，第一步在650℃到750℃保持50至70min后再加熱到1350到1400℃保持110到130min后制備出了二硫化鎢。唐國剛等[CN 102863025 A 2013.01.09]以單質鎢粉和硫粉在反應釜中600～800℃保持0.5～3h得到了硫化鎢納米片，等等。其他以無毒的硫粉單質作為硫源，無論以鎢粉還是氧化鎢作為鎢源，其反應機理如上所述，均存在合成周期長、純度低、結晶性差、產量小等缺點，因此目前還未能取代硫代鎢酸銨法。

發明內容

發明目的：本發明所要解決的技術問題是提供一種快速合成硫化鎢納米粉末的方法，該合成方法具有合成周期短、原料安全無毒，轉化率高的優點，并且通過該合成方法得到的產物純度高、表面積大、分散性好、結晶度高。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種快速合成硫化鎢納米粉末的方法，包括如下步驟：