二硫化钨是由钨和硫组成的无机化合物,化学式为WS2。
硫与钨的化合物中,二硫化钨是唯一可以从元素合成的化合物。通常二硫化钨为六方晶体,具有和二硫化钼相同的层状结构。在一定条件下,可以制得硫化钨的三方变体。
基本信息:
英文: Tungsten Disulfide
CAS: 12138-09-9
化学式:WS2
分子量:247.97
外观:灰色粉末
溶解性:在空气中稳定,不溶于水,乙醇,稀硝酸和硫酸
空气中二硫化钨的热解温度:
稳定: T≤250℃
稍稳定: 250℃< T ≤300℃
不稳定: T>300℃
二硫化钨(WS2)表观为灰黑色带金属光泽的细小晶体粉末,有滑腻感,相对密度为7. 4~7. 5,莫氏硬度为1. 0~ 1. 5, 抗压强度高达 21000k g/ cm2, 摩擦系数0.01~0.15,具有半导体导电性。
二硫化钨(WS2)的每一晶体层都是由两层硫原子夹一层钨原子构成。因晶体层内硫原子和钨原子间为强结合,故有高的抗压能力;两层相邻的硫原子间为弱结合,故当有剪切力时晶体层间会产生滑移,呈现良好的润滑特性,甚至在 1316°C下, 仍有润滑性。
二硫化钨(WS2)能很好地吸附于金属表面,但不跟金属表面发生化学反应。摩擦系数对比测试表明:摩擦系数在测试温度范围内,二硫化钨都低于二硫化钼;在高温下,也比二硒化钨低。这说明二硫化钨的高温润滑性能较好。摩擦系数与压力对比测试结果说明:二硫化钨的摩擦系数,随摩擦副间压力的提高而逐渐降低,且趋一定值。摩擦系数与空气压力对比测试结果表明,二硫化钨在真空条件下的摩擦系数是较低的。
二硫化钨(WS2)的热稳定性尚不很清楚。在约低于1150°C时未观察到它分解的迹象,但是在例如从1000 到900d°C范围内已发现它缓慢升华,升华产物为完好的六方二硫化钨结晶。于真空下加热二硫化钨,在 1200°C开始分解, 二 硫 化 钨 熔 点在1800 °C 以 上。二硫化钨(WS2)是在2400°C左右熔融,此时具有高的平衡硫蒸气压。
二硫化钨(WS2)能溶于硝酸加氢氟酸溶液,不溶于水、乙醇、油脂,但能被热硫酸、热硝酸和氢氟酸侵蚀;在空气中受热,会与氧反应生成二氧化硫和三氧化钨;在氢气中,约于800°C 还原出金属钨和硫化氢; 此时在氮气中是稳定的。
以下是四种不同的二硫化钨制备方法。用不同方法制备的二硫化钨有不同的晶体结构。
方法1. 直接合成
可将钨粉和硫粉混合物在石英管中通氮气 加热,于 800~ 900'C 下反应; 也可将此混合物先 在110-250°C反应, 而后再在550~ 650 °C 下反应 ,最后蒸发除去产品中的硫。后一方法可得纯度 99. 9 % 、粒度 0. 1 ~ 2µm 的二硫化钨。
室温下将硫沉积于钨触头上,加热可形成二硫化钨;用离子注入等方法,可在多种钢材表面上形成二硫化钨薄膜,用以降低其摩擦系数,延长使用寿命。
方法2. 钨与硫化氢作用制成二硫化钨(WS2)
在石英表面上沉积钨的薄层,置于含比H2S气的炉内, 于1000°'C 进行合成。在此高温下 , 通常以片状存在的二硫化铝的某些键合被破坏,并使薄片卷曲,形成密封的笼形结构。
方法3.三氧化钨或钨酸制取二硫化钨(WS2)
将三氧化钨和硫、碳酸钾的混合物于隔绝空气条件下, 在 900 °C 进行熔融 反应,或将钨酸、硫和炭黑混合,在反射炉内焙烧;也可以把三氧化钨置于流动的硫化氢气中,于900~1200 'C 下反应4小时制得二硫化钨。
方法4.四硫代钨酸铁制取二硫化钨(WS2)
四硫代钨酸铁制取二硫化钨(WS2)是工业上常用的方法。该法首先使钨酸与氨水反应制得钨酸按,再通入硫化氢生成四硫代钨酸铵经焙烧得二硫化钨。
二硫化钨用途
1.高档碳刷的减摩耐磨润滑剂
2.润滑脂中的固体润滑剂
3.用于制作自润滑部件与聚四氟乙烯和尼龙等材料
4.固体减摩涂层
5.二硫化钨因具有低摩擦系数和高抗压、抗氧化性能,而适用于高温、高压、高负荷、高真空条件下的润滑,可配成油膏、油剂,制成蜡笔、固体自润滑材料块及表面膜等。
6.二硫化钨还可作催化剂。一种新型硫化钨催化剂 ,可将 CO2 转化成作为工业原料用的CO。
7.利用钨、钼等化合物的层状结构特点,可以制成单分子层二维材料,并且按需要能够堆跺成具有很大内空间结构的的新材料,而且在堆跺过程中,还可加入所需的插层物质,使之成为催化剂或敏感、显示以及超导等材料,在高效催化剂方面很有发展前景。
性质
片径:0.02-1 μm
层数:1-10
厚度:1-8 nm
稳定剂:LiOH
应用
润滑剂、催化、能量存储、复合材料等领域。
储存条件
常温干燥避光密封保存,开封前最长保存期限1年。
二硫化钨是具有广泛的电子和光电应用前景的合成材料。单层二硫化钨的直径为0.1~4um,可用于开发下一代晶体管、可穿戴式电子产品,甚至是柔性生物医学设备等。
自从第一个二维材料石墨烯在实验中被发现,人们已经对二维电子材料研究了数十年。石墨烯和类似的二维材料都是只有一个原子的厚度,又被叫做单层材料,它们的厚度比一张纸的厚度小了几百上千倍。这些二维材料有巨大的优势和潜力,即很高的柔性,强度和导电性,但将它们用于实际还是很有挑战性的。
石墨烯(单层碳原子)已在晶体管领域被研究很久了,但其缺乏能带隙为半导体应用带来了困难。与石墨烯不同,二硫化钨具有相当大的能带隙,而且它还显示出了新的属性:当原子层的数目增加时能带隙变得可调,并在单原子层厚度时它可以强烈吸收和发射光,使其在光电子、传感和柔性电子器件等领域成为理想选择。
三硫化钨(WS3)是红棕色粉末,它在水中的溶解度取决于温度。它能溶于碱性溶液; 溶于硫化钠、硫化铁的溶液中,生成硫代钨酸盐;在170°C 以上,分解为二硫化钨和硫;能被氢还原为金属钨,和石灰一起加热时,能生成金属钨。
三硫化钨(WS3)制法
向已经酸化的钨酸铵溶液通入硫化氢气,可沉淀制得三硫化钨。