CN109748318B - 一种硫化亚锡的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫化亚锡的制备方法，其是将金属锡粉和升华硫粉混合均匀，然后将混合好的粉末加入至650℃~1000℃的气氛反应炉中，使锡与硫迅速反应，生成液态硫化亚锡；控制炉温在650℃~1000℃范围内持续保温0.5~4h蒸馏除去硫化亚锡产品中多余的硫，冷却后即得高纯度的硫化亚锡；本发明方法工艺简单，成本低，产品合成速度快，产品产量大、纯度高；废渣、废气产生较少，生产过程绿色环保，环境友好，具有较好的工业应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种硫化亚锡的制备方法，属于新材料制备领域。
背景技术
硫化亚锡是一种重要的多功能材料，具备安全无毒的优点，被应用于多种用途。在汽车摩擦材料中硫化锑能够降低有机粘结剂的分解速度，保持摩擦性能的稳定，同时降低摩擦制动时的噪声和震动，是性能优异的固体润滑剂，但锑有致癌作用，世界上很多国家开始限制或者禁止使用，硫化亚锡安全无毒，被用作硫化锑替代材料。硫化亚锡用在太阳能电池的光吸收层中，由于其直接带隙1.2ev~1.52ev，间接带隙为1.0ev~1.1ev，对太阳光有较高的光电转换效率，是一种前景非常好的太阳能电池材料。此外，其还兼具催化性能，被用作氧硫化碳合成和碳氢化合物聚合时的催化剂等。
硫化亚锡产品可以通过多种方法合成，如专利申请201710802843.7公开了一种方法，该方法采用含锡物料与硫磺进行硫化反应，使其转化为硫化物，然后真空蒸馏除杂，得到高纯度硫化亚锡；专利申请201210404428.3的方法是先将锡与浓盐酸反应再和硫化钠反应制备硫化亚锡，产物再经过水洗除去氯离子，真空干燥得到91%~99%的硫化亚锡；专利201611002626.1采用可溶性亚锡盐配制成溶液，将盐酸滴加至硫盐中产生硫化氢气体，发生气体引入亚锡盐溶液中反应合成硫化亚锡，再经过洗涤脱杂，干燥提纯得到纯度为95.77%~99.54%的硫化亚锡产品；现有的部分干法工艺制备硫化亚锡原料适应性强，所得产品纯度高，但设备要求较高，投入较大；湿法工艺在制备过程中易引入其它杂质离子，难以洗涤除去，影响产品纯度，部分湿法工艺涉及有毒气体，人员操作有一定危险性，且湿法制备硫化亚锡后期普遍存在废液处理的问题。
发明内容
为克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种制备硫化亚锡的新方法；该制备方法采用金属锡粉和升华硫粉在温度650℃~1000℃的气氛反应炉中进行反应制备硫化亚锡，所得硫化亚锡为层状结构，具有很高纯度。
本发明采用的技术方案包括如下步骤：
步骤1：将锡粉和升华硫粉混合均匀；
步骤2：将反应炉升温至650℃~1000℃，同时用惰性气体置换炉内空气；
步骤3：将步骤（1）混合粉末加入到步骤（2）的反应炉中，使锡粉与硫粉在惰性气氛、高温（650℃~1000℃）下迅速反应，生成硫化亚锡；
步骤4：待反应结束后，将炉温控制在650℃~1000℃范围内持续保温0.5~4h蒸馏除去硫化亚锡产品中的杂质；
步骤5：让除杂后的硫化亚锡在炉中自然降温；
步骤6：待炉温冷降至室温，打开炉盖取出样品，即得硫化亚锡。
所述步骤1中的锡粉为锡粉为纯度2N~4N、粒径＜150μm的市售金属锡粉，利于锡硫均匀混合；所述锡粉与升华硫粉的摩尔比1:0.8~2.5，物料混合时间为0.5~4h。
所述步骤2反应炉采用氮气或氩气作保护气体，置换炉内氧气，防止锡、硫及硫化亚锡氧化。
本发明工作原理：锡在硫化过程中会发生如下反应：
在较低温度时锡与硫反应会生成SnS2、Sn2S3和SnS，而在高温时SnS2分解生成Sn2S3，Sn2S3再分解生成得到SnS。本发明就是利用这一原理，首先将反应炉升温到某一温度，再将锡与硫的混合粉末匀速加入到高温炉子中，物料被加热发生锡的硫化反应生成锡的多硫化物和硫化亚锡，该反应产生大量热能，促使锡的多硫化物迅速分解生成液态硫化亚锡，且炉温越高反应越快速，硫化亚锡的纯度越高、产率越大。
本发明具有以下优点：
（1）本发明工艺锡与硫反应迅速、彻底，硫化亚锡的转化率高；
（2）工艺流程短、操作简单控制容易；
（3）本发明工艺废渣、废气、废水产生少，生产过程绿色环保，环境友好；
（4）本发明工艺在硫化亚锡合成过程中，不额外添加任何试剂，没有杂质污染，产品纯度高；
（5）本发明工艺可以利用锡硫反应放热维持持续反应，节省能耗。
附图说明
图1为硫化亚锡制备装置及工艺流程示意图；
图2为硫化亚锡XRD检测图，图中：上面谱图是实施例4制得的硫化亚锡样品的谱图，下面谱图是硫化亚锡的标准图谱；
图3为硫化亚锡样品SEM照片。
具体实施方式
以下结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，这些实施例仅用来说明本发明，并不限制本发明的范围。
实施例1：
（1）按锡粉（99%，粒径＜150μm）与升华硫粉的摩尔比为1:1的比例，称取119克200目的2N金属锡粉与32克升华硫粉在混料机中混合1h；
（2）将反应炉升温至650℃，并用氮气置换炉内空气30min；
（3）将混合粉置于图1的料斗中，并通过进料控制器匀速加入到反应炉中，金属锡粉与硫粉在氮气气氛、650℃下迅速反应生成硫化亚锡；加料结束后，将炉内温度维持在650℃保温2h，使过量的硫蒸发后进入冷凝器冷凝收集；
（4）将除杂后硫化亚锡在炉中自然冷却；
（5）待炉温度冷却到室温，打开炉盖取出样品，硫化亚锡样品制备完成；样品经过检测不含单质锡，硫化亚锡纯度为95%。
实施例2：
（1）按锡粉（99.9%，粒径＜150μm）与升华硫粉的摩尔比为1:1.5的比例，称取119克200目的3N金属锡粉与48克升华硫粉在混料机中混合1h；
（2）将反应炉升温至750℃，并用氮气置换炉内空气30min；
（3）将混合粉置于图1料斗中，并通过进料控制器匀速加入到反应炉中，粉与硫粉在氮气气氛、750℃下迅速反应生成硫化亚锡；加料结束后，将炉温度维持在750℃保温1h，使过量的硫蒸发后进入冷凝器冷凝收集；
（4）将除杂后硫化亚锡在炉中自然冷却；
（5）待炉温度冷却到室温，打开炉盖取出样品，硫化亚锡样品制备完成；样品经过检测硫化亚锡纯度为97%。
实施例3：
（1）按锡粉（99.99%，粒径＜150μm）与升华硫粉的摩尔比为1:2的比例，称取119克200目的4N金属锡粉与64克升华硫粉在混料机中混合1h；
（2）将反应炉升温至800℃，并用氩气置换炉内空气30min；
（3）将混合粉置于图1料斗中，并通过进料控制器匀速加入到反应炉中，锡粉与硫粉在氩气气氛、800℃下迅速反应生成硫化亚锡，加料结束后，将炉温度维持在800℃保温2h，使过量的硫蒸发后进入冷凝器冷凝收集；
（4）将除单质硫后硫化亚锡在炉中自然冷却；
（5）待炉温度冷却到室温，打开炉盖取出样品，硫化亚锡样品制备完成；样品经过检测硫化亚锡纯度为97.5%。
实施例4：
（1）按锡粉（99.9%，粒径＜150μm）与升华硫粉的摩尔比为1:2.5的比例，称取119克200目的3N金属锡粉与80克升华硫粉在混料机中混合1h；
（2）将反应炉升温至900℃，并用氩气置换炉内氧气20min；
（3）将混合粉置于图1料斗中，并通过进料控制器匀速加入到反应炉中，锡粉与硫粉在氩气气氛、900℃下迅速反应生成硫化亚锡，加料结束后，将炉温度维持在900℃保温0.5h，使过量的硫蒸发后进入冷凝器冷凝收集；
（4）将除单质硫后硫化亚锡在炉中自然冷却；
（5）待炉温度冷却到室温，打开炉盖取出样品，硫化亚锡样品制备完成；样品进行XRD分析，结果见图2，图2显示硫化亚锡特征峰强，杂峰很少，经化学分析硫化亚锡样品纯度为99.1%。
实施例5：
（1）按锡粉（99.99%，粒径＜150μm）与升华硫粉的摩尔比为1:2.5的比例，称取119克200目的4N金属锡粉与80克升华硫粉在混料机中混合1h；
（2）将反应炉升温至1000℃，并用氩气置换炉内氧气30min；
（3）将混合粉置于图1料斗中，并通过进料控制器匀速加入到反应炉中，锡粉与硫粉在氩气气氛、1000℃下迅速反应生成硫化亚锡，加料结束后，将炉温度维持在1000℃保温0.5h，使过量的硫蒸发后进入冷凝器冷凝收集；
（4）将硫化亚锡在炉中自然冷却；
（5）待炉温度冷却到室温，打开炉盖取出硫化亚锡样品，样品经过检测硫化亚锡纯度为99.95%；样品进行扫描电镜分析，结果见图3，图3显示采用本发明方法制备的硫化亚锡产品为一层一层的薄片叠加构成，微观形貌类似页岩。
Claims (2)
1.一种硫化亚锡的制备方法，其特征在于，步骤如下：
（1）将金属锡粉和升华硫粉混合均匀；
（2）将反应炉升温至650℃~1000℃，同时用惰性气体置换炉内空气；
（3）将步骤（1）混合粉末加入到步骤（2）的反应炉中，使锡粉与硫粉在惰性气氛、650℃~1000℃下迅速反应，生成硫化亚锡；
（4）待反应结束后，将炉温控制在650℃~1000℃范围内持续保温0.5~4h蒸馏除去硫化亚锡产品中多余的硫杂质；
（5）让除杂后的硫化亚锡在炉中自然降温；
（6）待炉温冷降至室温，取出样品，即得硫化亚锡；
所述步骤（1）中锡粉为纯度2N~4N、粒径＜150μm的金属锡粉，锡粉与升华硫粉的摩尔比为1:0.8~2.5。
2.根据权利要求1所述的硫化亚锡的制备方法，其特征在于：步骤（2）反应炉采用氮气或氩气置换炉内氧气。
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