二硫化钼是一种重要的过渡金属硫化物,最初以优异的润滑性能引起人们的关注。纳米科技兴起后 对二硫化钼的研究相应转入纳米这一小尺度范围。l. mal'gulls等于 1993 年制备出富勒烯结构纳米二硫化钼后。科研人员开始尝试用不同方法来制备纳米二硫化钼。如气国合成法、 前驱体热分解法、 水热法及电化学沉积法等 得到了不同形貌的纳米二硫化钼 如富勒烯状球状 棒状 多面体等 同时也发现纳米二硫化钼在润滑剂、电极材料、储氢材料吲、催化剂、等领域有广阔的应用,如类似于石墨片层结构的纳米二硫化钼存在大量的悬空键,表面具有很高的活性 在摩擦过程中极易在金属表面生成氧化膜,具有更好的摩擦润滑效应,因此可用作润滑剂。纳米二硫化钼作为一种新型的催化剂,用于 dbt 的 hds 过程时,钴钼基al203催化剂在h2s氛围下催化活性受到抑制,而纳米mos2 的催化活性在 h2s 氛围下会得到提高;并且(co)mos2催化剂的形态与 hds 过程中的选择性呈线性关系,即(co)mos2的平均片层越长选择性越好,等制备的片层状纳米 作为电极材料具有高的比容量及良好的循环特性 而正斜方晶体结构的 fef3/mos2在室温条件下,电压范围为 2.o~4.5 v 时,初始放电容量可达到 169.6 mal√g。研究认为:粒子大小和形貌可控的制备技术对纳米材料有关性能的影响至关重要。
总结了近年来国内外有关纳米二硫化钼的新近研究成果 包括不同形貌的纳米二硫化钼制备 反应过程 晶体不同形貌的形成机理等 并展望了纳米二硫化钼的研究发展趋势。
1 研究现状
目前,从参加反应的反应物状态可将纳米二硫化钼制备方法分为固相法和液相法。二硫化钼的生成过程可归结为钼的还原及钼的硫化。当所加入的硫源具有还原性时 硫化与还原反应同时进行。
mo6+十r=mo4++r\
mos2式中 r一还原剂;s一硫化剂;rs一具有还原性的硫化
剂;r\一还原剂反应后生成的其它物质;rs、s一硫化剂反应后生成的其它物质。
可选用的钼源有铅酸铵、钼酸钠、三氧化钼及五氯化钼;硫源有硫脲、硫化钠、硫化铵、硫代硫酸钠、连二亚硫酸钠;还原剂有水合肼、连二亚硫酸钠、硫脲、硫代硫酸钠、草酸。当选用的钼源 硫源及还原剂的种类不同时,产物的形貌都会受到影响。表 1 列出了部分反应物的反应方程及产物形貌
table i different reaction equations and products morphology
反应方程
形貌
1.1 富勒烯结构
r.e.smalley,curl 和 h.w.kroto [i8]发现了一种 c 的新同素异构体 c60,由 smalley 命名为 buckminsterfuuerene,简称为 fullerene,即富勒烯。c60是由 20个正六边形和 12 个正五边形构成的封闭球形或椭球形的笼状结构。此后,发现了不同形貌特征的富勒烯 c纳米结构典型的是 c 纳米管,c 纳米管是碳层卷曲而成,且管端分别由相同直径的两个富勒烯半球组成 二硫化钼具有与石墨类似的层状结构,由于结构的不对称性,边缘存在活性钼、硫原子的化学键结合,使片层结构发生卷曲从而形成笼状富勒烯结构纳米材料。tenne 等门采用气固反应法,把沉积在石英片上 20 nm厚的钼膜,在500~6oo℃空气中氧化,然后于 850~l050℃下和 h2s/n2/h2混合气体反应,制备了笼状富勒烯结构纳米二硫化钼。气固反应中纳米二硫化钼的生成过程为:
a:mo-a:moo3-a:mos3-c:2h—mos2
a:表示非晶态物质;c:表示晶态物质
李亚栋等采用常压化学气相沉积法,以 mocl5 和s 为原料通入氩气在 850℃得到了富勒烯结构的 mos2,由于不稳定的片层结构卷曲形成的笼状富勒烯结构没有完全闭合。
采用气-固反应一步法制备富勒烯结构的纳米二硫化钼 改变温度条件可得到其他形貌的纳米结构。也可采用液相-退火两步处理工艺:即首先在液相反应体系中反应得到前驱体,再经退火处理制备纳米富勒烯结构材料。马琳等用 ch3csnh2 为硫化剂和还原剂,以na2moo4 为钼源,水热条件下制备出纳米须 mos2,然后在氮气保护下 800℃处理 2h 得到类球状的富勒烯结构纳米材料。kai 等人通过沉淀反应制备出前驱体(moo3、无定形mos2、mos3),再在情性气体或还原性气体(h2、n2、h2/ar)气氛中,800℃退火制备出富勒烯结构的纳米 mos2。若在沉淀反应时加入分散剂 peg,退火时可避免颗粒的长大与团聚。xiong等向 na2moo4溶液中加入水合肼、cs2及表面活性剂 sds,于 140℃条件下水热反应 24h,在 sds 重排形成的微球状反应器作用下,生成球链状的 mos3前驱体,干燥后经 850℃退火反应 l2h,前驱体转变为富勒烯结构的 mos2。
1.2 球状结构
改变原料或实验条件,如实验原料配比与浓度 反应介质及加入表面活性剂等,可制备不同特征的球状纳米 mos2,如空心球、多面体球、多孔球、纳米球花等。纳米球花二硫化钼的生长主要是由于溶液中形成的软模板作用. 即由水溶液中的表面活性剂胶束吸附在前驱体上 形成球形微反应器 促进产物形成球形结构 再与硫化剂逐步反应生成球花状二硫化钼. 用牺牲模板法[33]可制备出多孔球状纳米颗粒
peng等[32]以吡啶为溶剂将 (nh4)6mo7024·4h2o、单质s、(nh4)2co3、水合氢氧化锂及水合肼混合,在聚四氟乙烯内衬的反应釜中 190℃反应 24h 制得了空心球状mos2。当增大反应物浓度或增大聚四氟乙烯内衬中的溶液填充体积时,生成的颗粒中均没有空心球,即调整反应物的浓度及反应体系的压力可实现对产物的形貌控制。sara等以(nh4)2mos4为前驱体制备出多孔球状纳米 mos2,其前驱体和硅胶的混合溶液在超音速气流运载啧入管式炉内形成雾点,在炉内蒸发分解形成sio2/mos2复合材料,最后用 hf将 sio2 除去就得到了多孔球状纳米mos2。武继芬等采用萃取溶剂热法以三辛胺为萃取剂萃出四硫锢酸根阴离子 加入一定量的水合肼在 190℃反应 24 h 制备了直径为 l0~500nm 的空心微球体。球体的直径随萃取时相比的改变而变化,若改变水合肼的加入量,产物的形貌也不同。h. farag等将前驱体(nh4)emo7o24·4h2o 置于石英舟后放入管式炉 以一定流速通入h2/h2s 混合气体 在 830℃/3的条件下,制备出多面体球状纳米 mos2,直径约 200 nm。通过对不同温度下钼酸铵热分解的研究表明,钼酸铵在低于 830。c时的反应产物主要是 moo2及少量的 mos2,当升高温度至 830℃时生成的 moo2完全被h2s硫化生成 mos2。huang等以 wo3为添加剂
na2moo4为钼源,cs(nh2)2为硫源,180℃/24 h,水热反应生成直径为 800 nm 的纳米球花 mos2(图 2d)。加入的wo3在溶液中生成wo4⒉-,并吸附在晶粒上不仅能够增大晶粒的生长速度 而且对纳米花的形成也有诱导作用。luo等以 na2moo4·2h2o、(cs(nh2)2为原料,加入hci调节ph值为 1,在离子溶液与水形成的二元微乳液体系中水热反应,180℃/24 h,制备了直径为 1.8~2.1μm的空心球花纳米二硫化锢。若将反应温度提高到 200。c以上时,不再有空心结构mos2纳米球出现。wei 等以(nh4)6mo7024·4h2o 为钼源,na2szo4 为 还原剂,c2h5sn为硫源,反应温度 180。c也制备出了纳米球花,随反应时间的延长颗粒直径增大,粒径分布在 60~中,氩气保护,恒温850℃反应 2h 制备出二硫化钼纳米管。并发现反应温度在400。c以上时才可得到纯的六方晶系 mos2,当温度低于 400℃时得到的是 moo2与 mos2的混合物 显然 温度是影响气固反应制备纳米材料成分与结构的一个重要因素
田野等[40]通过低温水热法以 moo3为钼源,kscn为还原剂和硫源,180℃/24 h,合成mos2纳米棒,直径60~100 nm,长度达几微米,由薄片折叠褶皱组成,边缘并不光滑整齐(图 3c)。tian等以(nh4)6mo7024·4h2o 为钼源,na2s·9h2o 为硫源,加入还原剂 nh2oh·hci,表面活性剂 dbs,烧瓶中 90℃下反应,生成 mos2纳米棒,直径20~4o nm,长 50~l5o nm,改变 ph值可以控制物相与形貌。li 等采用电化学-化学两步法制备出了长约 1mm,直径为 94~35o nm 的纳米线,实验第一步将moo2纳米线电沉积在石墨电极上;第二步,将前驱体moo2暴露于 h2s 气氛中 800~9oo℃/24~84 h。并且,硫
化反应时间越长,生成的 mos2纳米线直径越大对于一维纳米mos2(管、棒、线),用卷曲旋转机理解释纳米管的形成[39] (如图 3b 所示半管——半片结构的纳米 mos2)。可以看出:两端封闭的纳米管是反应过程中形成的纳米片层结构在一定的条件下逐步卷曲形成的.从能量角度分析纳米管的形成[40]由于纳米片具有很高的活性及不稳定性, 通过片的堆叠及卷曲可以降低能量, 从而有利于纳米管的形成. 若在纳米棒的生成过程加入表面活性剂如 sds,在溶液中形成的软模板促进了纳米棒的生长60-120 nm。
1.3 棒状、管状、线状
具有类似石墨层状结构的二硫化钼不能以片层的形式稳定存在, 因此, 在纳米二硫化钼的制备探索研究过程中出现了纳米管、纳米棒及纳米线等不同形貌特征的一维纳米结构,李晓林等采用液相-气固反应两步合成了直径30~33o nm,层间距为 0.62 nm 的富勒烯纳米管。方法为;在水溶液中以 na2moo4和 hclo4为原料合成前驱体带状纳米moo3,然后在管式炉中气固反应生成二硫化锢 前驱体与过量的单质 s分别放在两个石英舟
2 研究展望
目前 纳米二硫化钼制备方法主要有液相法和国相法两大类: 液相法存在产物尺寸与形貌不易控制 、 分散性差、 易发生聚合、 结晶性差等特点;固相法存在反应温度高, 产物或反应物中常含有污染环境的含硫气体 。 因此 ;对纳米二硫化钼的研究应集中在以下两个方面:1)低成本 清洁纳米二硫化钼制备新工艺开发 目前 实验室制备纳米二硫化钼成本相对较高 为尽快实现纳米二硫化钼的产业化生产 仍需进一步研究如何在低温及不产生污染的条件下制备出形貌与尺寸可控的二硫化钼纳米颗粒 以离子溶液为反应介质的水热合成工艺具有较大的研究价值。
2)不同形貌纳米二硫化钼的应用开发研究。不同形貌的二硫化钼在纳米尺度范围内 会出现许多宏观材料所不具备的特有性质 如何让其应用于工业生产 发挥各自的特有功能 是一个值得研究的新课题