CN112111788A - 一种制备二硫化钛晶体的方法及产物 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种制备二硫化钛晶体的方法及产物属于IVB‑VIA族过渡金属硫族化合物制备技术领域。在手套箱中将钛粉和硫粉依次装入石英管中，静置1‑2小时后，将石英管密封，然后在120℃的烤灯下放置4‑6小时后放入管式炉中，抽真空三次后，通入氩气，在管式炉中密封反应48小时，待其冷却至室温，得到二硫化钛晶体。所述的二硫化钛晶体是1T‑TiS2，六方系晶体，空间群P‑3m1；具有层状结构，晶片长10～11μm、宽11～13μm、厚1～2μm。本发明操作简单易行、重复性好、成本低廉，制备出的TiS2晶体具有纯度高、晶片发育完整、分布均匀等优点。

Description

一种制备二硫化钛晶体的方法及产物
技术领域
本发明属于IVB-VIA族过渡金属硫族化合物制备技术领域，特别涉及一种简单、新颖、高效制备二硫化钛晶体的方法以及由该方法制备的产物。
背景技术
过渡金属二硫族化合物是一类重要的材料，以其丰富的物理、化学性质而受到人们的关注。特别是MoS2、WS2和WSe2作为典型的过渡金属二硫族化合物，在光电子学、能谷电子、自旋电子学领域表现出的丰富现象，激起了广泛的研究热潮。近年来的研究表明，过渡金属二硫族化合物中的二硫化钛在纳米电子学、光子学、传感器、储能系统电极等方面的应用已引起广泛关注。层状二硫化钛具有良好的电子迁移率和插层性，可用于锂离子电池阴极材料以及超级电容器的制备材料等。它们稳定的1T型八面体配位结构，是一种六方密堆CdI2结构，层内邻近的六个硫原子构成一个八面体，钛位于八面体的中心，形成一个TiS6八面体，以共价键结合，在c轴方向形成S-Ti-S的三明治层状结构，层与层之间通过弱的范德华力连接。
在众多的二维层状硫系化合物中，二硫化钛是一种廉价、环保的化合物，而且二硫化钛已被证明是一种有前途的充电电池正极材料和潜在的储氢材料，同时纳米尺度的二硫化钛可用于表面增强拉曼信号的检测，可作为灵敏的化学和生物传感器件，在生物医学上有很好的应用前景。
目前二硫化钛的合成方法主要有高温固体反应、气相反应法、低温化学沉淀法、溶胶凝胶法和化学气相输运法。虽然现有技术能够制备出二硫化钛，但仍然存在一些缺陷和不足。比如使用氢气和硫化氢气体的安全性不明确；反应时间长；反应温度过高，反应步骤较多、过程繁琐；生产效率较低等问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提供一种制备TiS2(二硫化钛)晶体的简单方法及按该方法制备出的TiS2晶体，克服以往在制备过程的诸多缺点和限制，例如石英管可实现重复利用，节省了合成成本，缩短了反应时间，简化了合成步骤等，为TiS2的进一步应用和性质研究奠定了基础。
具体的技术方案如下：
一种二硫化钛晶体的制备方法，以99.99％钛粉和硫粉为原料，其中钛粉和硫粉的摩尔比为1:2；将称量好的钛粉和硫粉分别用称量纸包装好后装入塑封袋中，将装好的钛粉、硫粉、石英管以及密封胶放入手套箱中，在手套箱中将钛粉和硫粉依次装入石英管中，静置1～2小时后，盖好石英塞，用密封胶将石英管密封好，然后将密封好的石英管在120℃的烤灯下放置4～6小时，待密封胶完全凝固后放入管式炉中，抽真空三次后，通入氩气，在管式炉中密封反应48小时，待其冷却至室温，石英管中得到黑色粉末样品，即为二硫化钛晶体。
所述的石英管规格优选为内径10mm长度为130mm。
在管式炉中反应的温度优选600℃。
所述的密封胶优选1200℃的超高温单组分密封胶。
一种二硫化钛晶体，其特征在于，以化学计量数为1:2的比例构成的化合物TiS2，是六方晶系，空间群为P3m1，具有层状结构，晶片长10～11μm、宽11～13μm、厚1～2μm。
有益效果：
本发明利用化学气相传输法制备了TiS2晶体，克服以往诸多的限制，原料单一，操作简单易行、重复性好、成本低廉、反应毒性小，反应时间短；制备出的TiS2晶体的纯度高，晶粒发育完整，分布均匀，形貌规则。本发明为进一步研究二硫化钛的合成、优异性质的探索，以及应用方面奠定了基础。
附图说明
图1是实施例1在600℃制得的TiS2晶体的Raman谱图。
图2是实施例1在600℃制得的TiS2晶体的XRD谱图。
图3是实施例1在反应温度为600℃时合成的TiS2晶体的SEM图。
图4是实施例1在反应温度为600℃时合成的单片TiS2晶体的SEM图。
图5是实施例1在反应温度为600℃时合成的单片TiS2晶体的EDS图。
图6是实施例2在反应温度为550℃时合成的TiS2晶体的XRD图。
图7是实施例3在不同反应比例下所制备样品的XRD谱图。
具体实施方式
实施例1最佳温度制备二硫化钛晶体的全过程
以钛粉和硫粉为原料。首先称取0.0032mol的钛粉，再称取0.0071mol的硫粉；然后将称量好的钛粉和硫粉分别称量纸包装好后放入密封袋中，在手套箱中完成装样后使用SX-8307 1300单组份超高温结构胶密封石英管，之后将密封好的石英管在120℃的烤灯下放置4-6小时，待密封胶完全凝固后放入管式炉中以600℃保温48小时。反应结束后，待其冷却至室温，即可得到黑色粉末样品。
图1给出了上述条件下所制备TiS2晶体的Raman谱图，其中拉曼振动模式：包括Eg模式和A1g模式，分别位于223.83cm-1和329.30cm-1。图2为上述条件下所制备TiS2晶体的XRD谱图，证明600℃下合成的样品为二硫化钛(TiS2)，所有样品结晶性好，产物纯度高；图3、4给出了在反应温度600℃，反应时间48h时制备的TiS2晶体的SEM图，可以看出样品为表面光滑平整、形状规则的片状结构，单块样品长约为10～11μm、宽约11～13μm、厚约为1～2μm。图4给出了反应温度600℃，反应时间48h时制备的TiS2晶体的EDS图，可以看出钛与硫的比将近1:2，说明合成的材料确为TiS2晶体。
实施例2稍低温度制备二硫化钛晶体的全过程(反例)
以钛粉和硫粉为原料。首先称取0.0032mol的钛粉，再称取0.0071mol的硫粉；然后将称量好的钛粉和硫粉分别放入密封袋中，在手套箱中完成装样后使用SX-8307 1300单组份超高温结构胶将石英管密封，然后将密封好的石英管放在120℃的烤灯下放置4-6小时，待密封胶完全凝固后放入管式炉中以550℃保温48小时。反应结束后，待其冷却至室温，即可得到黑色粉末样品。
图6给出了上述条件下所制备样品的XRD谱图，证明550℃下合成的样品结晶性较差，纯度低，反应结束后有剩余的钛，说明550℃的反应温度不足以让钛和硫完全反应生成TiS2晶体。
实施例3反应物比例不同时制备二硫化钛晶体的全过程
以钛粉和硫粉为原料。首先分别按照钛硫摩尔比2:3(Ti:0.0042mol、S:0.0062mol)；1:2(Ti：0.0032mol、S:0.0071mol)；1:3(Ti:0.0022mol、S:0.0069mol)称取相应的起始反应物；将称量好的钛粉和硫粉分别用称量纸包装好后装入密封袋中，在手套箱中完成装样密封后并标记Ⅰ、Ⅱ、和Ⅲ组实验，然后将密封好的石英管在120℃的烤灯下放置4-6小时，待密封胶完全凝固后放入管式炉中以最佳温度600℃保温48小时。反应结束后，待其冷却至室温，即可得到黑色粉末样品。
通过绘制XRD谱图(图7)，证明钛粉和硫粉摩尔比为1:2的反应比例下合成的样品为二硫化钛(TiS2)，样品结晶性好，产物纯度高；通过扫描电镜观察，所制备的样品形貌基本为表面光滑平整、具有层状结构的物质。
实施例4采用不同密封方式制备二硫化钛晶体的全过程(反例)
以钛粉和硫粉为原料。首先称取0.0032mol的钛粉，再称取0.0071mol的硫粉；然后将称量好的钛粉和硫粉分别放入密封袋中，在手套箱中完成装样后，分别用硫粉和普通黑胶密封石英管，然后将密封的石英管放置管式炉中以600℃下保温48小时。反应结束后，待其冷却至室温，即可得到黑色粉末样品。
通过XRD数据分析发现，通过硫粉和黑胶密封合成的样品中很少有TiS2晶体的峰，存在杂峰较多，反应不完全等问题。
以上实施例2、4为不当的反应温度、密封方式的实施例，是用来与本发明的正确方案作比较的，不属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种二硫化钛晶体的制备方法，以99.99％钛粉和硫粉为原料，其中钛粉和硫粉的摩尔比为1:2；将称量好的钛粉和硫粉分别用称量纸包好后装入塑封袋中，将装好的钛粉、硫粉、石英管以及密封胶放入手套箱中，在手套箱中将钛粉和硫粉依次装入石英管中，静置1～2小时后，盖好石英塞，用密封胶将石英管密封好，然后将密封好的石英管在120℃的烤灯下放置4～6小时，待密封胶完全凝固后放入管式炉中，抽真空三次后，通入氩气，在管式炉中密封反应48小时，待其冷却至室温，石英管中得到黑色粉末样品，即为二硫化钛晶体。
2.根据权利要求1所述的一种二硫化钛晶体的制备方法，其特征在于，所述的石英管规格为内径10mm、长度130mm。
3.根据权利要求1所述的一种二硫化钛晶体的制备方法，其特征在于，在管式炉中反应的温度为600℃。
4.根据权利要求1所述的一种二硫化钛晶体的制备方法，其特征在于，所述的密封胶是1200℃的超高温单组分密封胶。
5.一种按权利要求1的方法制备的二硫化钛晶体，其特征在于，所述的二硫化钛晶体是以化学计量数为1:2的比例构成的化合物TiS2，是六方晶系，空间群为P3m1，具有层状结构，晶片长10～11μm、宽11～13μm、厚1～2μm。
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