El disulfuro de tungsteno es un compuesto químico inorgánico compuesto de tungsteno y azufre con la fórmula química WS 2 . Este compuesto es parte del grupo de materiales llamados dicalcogenuros de metales de transición . Se presenta de forma natural como el raro mineral tungsteno . Este material es un componente de ciertos catalizadores utilizados para la hidrodesulfuración y hidrodesnitrificación .
Izquierda: película WS 2 sobre zafiro. Derecha: película oscura de WS 2 exfoliada flotando sobre el agua. | |
Nombres | |
---|---|
Nombres IUPAC Tungsteno azufre Bis (sulfanilideno) tungsteno | |
Nombre IUPAC sistemático Ditioxotungsteno | |
Otros nombres Tungsteno (IV) sulfuro Tungsteno | |
Identificadores | |
Modelo 3D ( JSmol ) | |
CHEBI | |
ChemSpider | |
Tarjeta de información ECHA | 100.032.027 |
Número CE |
|
PubChem CID | |
Tablero CompTox ( EPA ) | |
| |
| |
Propiedades | |
WS 2 | |
Masa molar | 247,98 g / mol |
Apariencia | polvo gris azulado [1] |
Densidad | 7,5 g / cm 3 , sólido [1] |
Punto de fusion | 1.250 ° C (2.280 ° F; 1.520 K) se descompone [1] |
ligeramente soluble | |
Brecha de banda | ~ 1,35 eV (óptico, indirecto, a granel) [2] [3] ~ 2,05 eV (óptico, directo, monocapa) [4] |
+ 5850 · 10 −6 cm 3 / mol [5] | |
Estructura | |
Molibdenito | |
Prismático trigonal (W IV ) Piramidal (S 2− ) | |
Compuestos relacionados | |
Otros aniones | Tungsteno (IV) óxido de tungsteno diseleniuro tungsteno ditelluride |
Otros cationes | Disulfuro de molibdeno Disulfuro de tantalio Disulfuro de renio |
Salvo que se indique lo contrario, los datos se proporcionan para materiales en su estado estándar (a 25 ° C [77 ° F], 100 kPa). | |
verificar ( ¿qué es ?) | |
Referencias de Infobox | |
WS 2 adopta una estructura en capas similar, o isotípica con MoS 2 , en cambio con átomos W situados en la esfera de coordinación prismática trigonal (en lugar de átomos de Mo). Debido a esta estructura en capas, WS 2 forma nanotubos inorgánicos , que se descubrieron después de calentar una muestra delgada de WS 2 en 1992. [6]
Estructura y propiedades físicas
Bulk WS 2 forma cristales hexagonales de color gris oscuro con una estructura en capas. Al igual que el MoS 2 estrechamente relacionado , exhibe propiedades de lubricante seco .
Aunque se ha pensado durante mucho tiempo que WS 2 es relativamente estable en el aire ambiente, informes recientes sobre la oxidación del aire ambiental de la monocapa WS 2 han descubierto que este no es el caso. En la forma de monocapa, WS 2 se convierte con bastante rapidez (en el transcurso de días en luz ambiental y atmósfera) en óxido de tungsteno a través de una reacción de fotooxidación que involucra longitudes de onda visibles de luz fácilmente absorbidas por la monocapa WS 2 (<~ 660 nm /> ~ 1,88 eV). [8] Además de luz de longitud de onda adecuada, la reacción requiere oxígeno y agua para continuar, y se cree que el agua actúa como catalizador de la oxidación. Los productos de la reacción incluyen óxido de tungsteno y ácido sulfúrico . De manera similar, se ha observado que la oxidación de otros dicalcogenuros de metales de transición semiconductores (S-TMD), como MoS 2 , se produce en condiciones atmosféricas y de luz ambiental. [9]
El WS 2 también es atacado por una mezcla de ácido nítrico y fluorhídrico . Cuando se calienta en una atmósfera que contiene oxígeno, WS 2 se convierte en trióxido de tungsteno . Cuando se calienta en ausencia de oxígeno, WS 2 no se funde sino que se descompone en tungsteno y azufre, pero solo a 1250 ° C. [1]
Históricamente, la monocapa WS 2 se aisló usando exfoliación química mediante intercalación con litio a partir de n-butil litio (en hexano), seguido de exfoliación del compuesto intercalado de Li mediante sonicación en agua. [10] El WS 2 también se exfolia mediante el tratamiento con varios reactivos como el ácido clorosulfónico [11] y los haluros de litio. [12]
Síntesis
WS 2 se produce mediante varios métodos. [1] [13] Muchos de estos métodos implican el tratamiento de óxidos con fuentes de sulfuro o hidrosulfuro, suministrados como sulfuro de hidrógeno o generados in situ .
Películas delgadas y monocapas
Las técnicas ampliamente utilizadas para el crecimiento de la monocapa WS 2 incluyen la deposición química de vapor (CVD) , la deposición física de vapor (PVD) o la deposición de vapor químico orgánico metálico (MOCVD) , aunque la mayoría de los métodos actuales producen defectos de vacancia de azufre superiores a 1 × 10 13 cm. −2 . [14] Otras rutas implican la termólisis de sulfuros de tungsteno (VI) (p. Ej., (R 4 N) 2 WS 4 ) o el equivalente (p. Ej., WS 3 ). [13]
Las películas independientes WS 2 se pueden producir de la siguiente manera. El WS 2 se deposita sobre un sustrato hidrófilo, como el zafiro , y luego se recubre con un polímero, como el poliestireno . Después de sumergir la muestra en agua durante unos minutos, la película hidrófoba de WS 2 se despega espontáneamente. [15]
Aplicaciones
El WS 2 se utiliza, junto con otros materiales, como catalizador para el hidrotratamiento de petróleo crudo. [13]
El disulfuro de tungsteno laminar se usa como lubricante seco para sujetadores, cojinetes y moldes, [16] además de tener un uso significativo en las industrias aeroespacial y militar. [17] {{verificación fallida | fecha = agosto de 2020 | motivo = el artículo nombrado no está en esta URL; La página en esta URL no respalda esta afirmación -> WS 2 se puede aplicar a una superficie metálica sin aglutinantes ni curado, mediante impacto de aire a alta velocidad . El estándar oficial más reciente para este proceso se establece en la especificación SAE International AMS2530A. [18]
Investigar
Al igual que MoS 2 , el WS 2 nanoestructurado se estudia activamente para aplicaciones potenciales, como el almacenamiento de hidrógeno y litio. [11] WS 2 también cataliza la hidrogenación de dióxido de carbono : [11] [19] [20]
- CO 2 + H 2 → CO + H 2 O
Nanotubos
El disulfuro de tungsteno es el primer material que se encontró que formaba nanotubos inorgánicos en 1992. [6] Esta capacidad está relacionada con la estructura en capas de WS 2 , y se han producido cantidades macroscópicas de WS 2 mediante los métodos mencionados anteriormente. [13] Se han investigado los nanotubos WS 2 como agentes reforzantes para mejorar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos poliméricos. En un estudio, WS 2 nanotubos reforzados nanocompuestos poliméricos biodegradables de polipropileno fumarato (PPF) mostraron incrementos significativos en el módulo, resistencia a la deformación por compresión, módulo de flexión y el rendimiento de resistencia a la flexión de Young, en comparación con los nanotubos de carbono de una y de varias paredes reforzadas nanocompuestos PPF, lo que sugiere que los nanotubos de WS 2 pueden ser mejores agentes de refuerzo que los nanotubos de carbono. [21] La adición de nanotubos WS 2 a la resina epoxi mejoró la adhesión , la tenacidad a la fractura y la tasa de liberación de energía de deformación. El desgaste del epoxi reforzado con nanotubos es menor que el del epoxi puro. [22] Se incorporaron nanotubos WS 2 en una matriz de nanofibras de poli (metacrilato de metilo) (PMMA) mediante electrohilado. Los nanotubos estaban bien dispersos y alineados a lo largo del eje de la fibra. La rigidez y la tenacidad mejoradas de las mallas de fibra de PMMA mediante la adición de nanotubos inorgánicos pueden tener usos potenciales como materiales absorbentes de impactos, por ejemplo, para chalecos balísticos . [23] [24]
Los nanotubos WS 2 son huecos y se pueden rellenar con otro material, para conservarlo o guiarlo a una ubicación deseada, o para generar nuevas propiedades en el material de relleno que está confinado dentro de un diámetro de escala nanométrica. Con este objetivo, se fabricaron híbridos de nanotubos inorgánicos llenando nanotubos WS 2 con plomo fundido, antimonio o sal de yoduro de bismuto mediante un proceso de humectación capilar, lo que dio como resultado PbI 2 @WS 2 , SbI 3 @WS 2 o BiI 3 @WS 2 core– nanotubos de concha. [25]
Nanohojas
WS 2 también puede existir en forma de láminas atómicamente delgadas. [26] Dichos materiales exhiben fotoluminiscencia a temperatura ambiente en el límite de la monocapa. [27]
Transistores
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) está investigando el uso de WS
2como material de canal en transistores de efecto de campo . El material de aproximadamente 6 capas de espesor se crea mediante deposición química de vapor (CVD). [28]
Referencias
- ↑ a b c d e Eagleson, Mary (1994). Química enciclopedia concisa . Walter de Gruyter. pag. 1129. ISBN 978-3-11-011451-5.
- ^ Kam, KK; Parkinson, BA (febrero de 1982). "Espectroscopía de fotocorriente detallada de los dicalcogenuros de metales de transición del grupo semiconductor VIB". Revista de Química Física . 86 (4): 463–467. doi : 10.1021 / j100393a010 .
- ^ Baglio, Joseph A .; Calabrese, Gary S .; Kamieniecki, Emil; Kershaw, Robert; Kubiak, Clifford P .; Ricco, Antonio J .; Wold, Aaron; Wrighton, Mark S .; Zoski, Glenn D. (julio de 1982). "Caracterización de fotoanodos de disulfuro de tungsteno semiconductores tipo n en soluciones de electrolitos acuosos y no acuosos Foto-oxidación de haluros con alta eficiencia". J. Electrochem. Soc . 129 (7): 1461-1472. doi : 10.1149 / 1.2124184 .
- ^ Gutiérrez, Humberto; Perea-López, Nestor; Elías, Ana Laura; Berkdemir, Ayse; Wang, Bei; Lv, Ruitao; López-Urías, Florentino; Crespi, Vincent H .; Terrones, Humberto; Terrones, Mauricio (noviembre de 2012). "Fotoluminiscencia a temperatura ambiente extraordinaria en monocapas triangulares WS2". Nano Letras . 13 (8): 3447–3454. arXiv : 1208.1325 . doi : 10.1021 / nl3026357 .
- ^ Haynes, William M., ed. (2011). Manual CRC de Química y Física (92ª ed.). Boca Raton, FL: CRC Press . pag. 4.136. ISBN 1439855110.
- ^ a b Tenne R, Margulis L, Genut M, Hodes G (1992). "Estructuras poliédricas y cilíndricas de disulfuro de tungsteno". Naturaleza . 360 (6403): 444–446. Código Bibliográfico : 1992Natur.360..444T . doi : 10.1038 / 360444a0 .
- ^ Sasaki, Shogo; Kobayashi, Yu; Liu, Zheng; Suenaga, Kazutomo; Maniwa, Yutaka; Miyauchi, Yuhei; Miyata, Yasumitsu (2016). "Crecimiento y propiedades ópticas de monocapas WS 2 dopadas con Nb " . Física Aplicada Express . 9 (7): 071201. Bibcode : 2016APExp ... 9g1201S . doi : 10.7567 / APEX.9.071201 .
- ^ Kotsakidis, Jimmy C .; Zhang, Qianhui; Vázquez de Parga, Amadeo L .; Currie, Marc; Helmerson, Kristian; Gaskill, D. Kurt; Fuhrer, Michael S. (julio de 2019). "La oxidación de la monocapa WS2 en ambiente es un proceso fotoinducido". Nano Letras . 19 (8): 5205–5215. arXiv : 1906.00375 . doi : 10.1021 / acs.nanolett.9b01599 .
- ^ Gao, Jian; Li, Baichang; Tan, Jiawei; Chow, Phil; Lu, Toh-Ming; Koratker, Nikhil (enero de 2016). "Envejecimiento de monocapas de dichalcogenuro de metales de transición". ACS Nano . 10 (2): 2628–2635. doi : 10.1021 / acsnano.5b07677 .
- ^ Joensen, Per; Frindt, RF; Morrison, S. Roy (1986). "MoS2 de una sola capa". Boletín de investigación de materiales . 21 (4): 457–461. doi : 10.1016 / 0025-5408 (86) 90011-5 .
- ^ a b c Bhandavat, R .; David, L .; Singh, G. (2012). "Síntesis de nanohojas WS 2 funcionalizadas en superficie y rendimiento como ánodos de batería de iones de litio" . La Revista de Letras de Química Física . 3 (11): 1523–30. doi : 10.1021 / jz300480w . PMID 26285632 .
- ^ Ghorai, Aru; Midya, Anupam; Maiti, Rishi; Ray, Samit K. (2016). "Exfoliación de WS2 en la fase semiconductora utilizando un grupo de haluros de litio: un nuevo método de intercalación de Li". Transacciones de Dalton . 45 (38): 14979–14987. doi : 10.1039 / C6DT02823C .
- ^ a b c d Panigrahi, Pravas Kumar; Pathak, Amita (2008). "Síntesis asistida por microondas de nanocables WS 2 a través de precursores de tetratiotungstato" (descarga gratuita) . Sci. Technol. Adv. Mater . 9 (4): 045008. Código Bibliográfico : 2008STAdM ... 9d5008P . doi : 10.1088 / 1468-6996 / 9/4/045008 . PMC 5099650 . PMID 27878036 .
- ^ Hong, Jinhua; Hu, Zhixin; Probert, Matt; Li, Kun; Lv, Danhui; Yang, Xinan; Gu, Lin; Mao, Nannan; Feng, Qingliang; Xie, Liming; Zhang, Jin; Wu, Dianzhong; Zhang, Zhiyong; Jin, Chuanhong; Ji, Wei; Zhang, Xixiang; Yuan, Jun; Zhang, Ze (febrero de 2015). "Elorando defectos atómicos en monocapas de bisulfuro de molibdeno" . Comunicaciones de la naturaleza . 6 : 6293. doi : 10.1038 / ncomms7293 .
- ^ Yu, Yang; Fong, Patrick WK; Wang, Shifeng; Surya, Charles (2016). "Fabricación de unión pn WS2 / GaN por transferencia de película fina WS2 Wafer-Scale" . Informes científicos . 6 : 37833. Bibcode : 2016NatSR ... 637833Y . doi : 10.1038 / srep37833 . PMC 5126671 . PMID 27897210 .
- ^ Francés, Lester Gray, ed. (1967). "Dicronita" . Maquinaria . Vol. 73. Corporación de Publicaciones de Maquinaria. pag. 101.
- ^ "Procesos especiales aprobados por calidad por código de proceso especial" . BAE Systems. 2020-07-07.
- ^ "AMS2530A: revestimiento de disulfuro de tungsteno, película lubricante fina, aplicación de impacto sin aglutinante" . SAE Internacional . Consultado el 10 de julio de 2020 .
- ^ Lassner, Erik; Schubert, Wolf-Dieter (1999). Tungsteno: propiedades, química, tecnología del elemento, aleaciones y compuestos químicos . Saltador. págs. 374–. ISBN 978-0-306-45053-2.
- ^ Ingeniero que fabrica baterías recargables con nanomateriales en capas . Diario de la ciencia (2013-01-016)
- ^ Lalwani, Gaurav (septiembre de 2013). "Nanotubos de disulfuro de tungsteno reforzados con polímeros biodegradables para la ingeniería de tejidos óseos" . Acta Biomaterialia . 9 (9): 8365–8373. doi : 10.1016 / j.actbio.2013.05.018 . PMC 3732565 . PMID 23727293 .
- ^ Zohar, E .; et al. (2011). "Las propiedades mecánicas y tribológicas de nanocompuestos epoxi con nanotubos WS 2 " . Diario de sensores y transductores . 12 (Número especial): 53–65.
- ^ Reddy, CS; Zak, A. y Zussman, E. (2011). " Nanotubos WS 2 incrustados en nanofibras de PMMA como material absorbente de energía". J. Mater. Chem . 21 (40): 16086–16093. doi : 10.1039 / C1JM12700D .
- ^ Nano-Armadura: Protección de los soldados del mañana . Physorg.com (10 de diciembre de 2005). Consultado el 20 de enero de 2016.
- ^ Kreizman, Ronen; Enyashin, Andrey N .; Deepak, Francis Leonard; Albu-Yaron, Ana; Popovitz-Biro, Ronit; Seifert, Gotthard; Tenne, Reshef (2010). "Síntesis de nanotubos inorgánicos Core-Shell". Adv. Funct. Mater . 20 (15): 2459–2468. doi : 10.1002 / adfm.201000490 .
- ^ Coleman, JN; Lotya, M .; O'Neill, A .; Bergin, SD; King, PJ; Khan, U .; Young, K .; Gaucher, A .; De, S .; Smith, RJ; Shvets, IV; Arora, SK; Stanton, G .; Kim, H.-Y .; Puerro.; Kim, GT; Duesberg, GS; Hallam, T .; Boland, JJ; Wang, JJ; Donegan, JF; Grunlan, JC; Moriarty, G .; Shmeliov, A .; Nicholls, RJ; Perkins, JM; Grieveson, EM; Theuwissen, K .; McComb, DW; et al. (2011). "Nanohojas bidimensionales producidas por exfoliación líquida de materiales en capas" . Ciencia . 331 (6017): 568–71. Código bibliográfico : 2011Sci ... 331..568C . doi : 10.1126 / science.1194975 . hdl : 2262/66458 . PMID 21292974 .
- ^ Gutiérrez, Humberto R .; Perea-López, Nestor; Elías, Ana Laura; Berkdemir, Ayse; Wang, Bei; Lv, Ruitao; López-Urías, Florentino; Crespi, Vincent H .; Terrones, Humberto; Terrones, Mauricio (2013). "Fotoluminiscencia extraordinaria a temperatura ambiente en monocapas triangulares WS 2 ". Nano Letras . 13 (8): 3447–54. arXiv : 1208.1325 . Código bibliográfico : 2013NanoL..13.3447G . doi : 10.1021 / nl3026357 . PMID 23194096 .
- ^ Cheng, Chao-Ching; Chung, Yun-Yan; Li, Uing-Yang; Lin, Chao-Ting; Li, Chi-Feng; Chen, Jyun-Hong; Lai, Tung-Yen; Li, Kai-Shin; Shieh, Jia-Min; Su, Sheng-Kai; Chiang, Hung-Li; Chen, Tzu-Chiang; Li, Lain-Jong; Wong, H.-S. Philip; Chien, Chao-Hsin (2019). "Primera demostración de pFET WS2 de puerta superior de 40 nm de longitud de canal utilizando crecimiento de CVD selectivo por área de canal directamente sobre sustrato de SiOx / Si". Simposio 2019 sobre tecnología VLSI . IEEE . págs. T244 – T245. doi : 10.23919 / VLSIT.2019.8776498 . ISBN 978-4-86348-719-2.