Войти
 | |
| Имена | |
|---|---|
| Название IUPAC Сульфид титана (IV) | |
| Другие названия Сульфид титана, сульфид титана, дисульфид титана, дисульфид титана | |
| Идентификаторы | |
| Номер CAS | |
| 3D-модель (JSmol ) | |
| ECHA InfoCard | 100.031.699  |
| Номер EC |
|
| PubChem CID | |
| UNII | |
| CompTox Dashboard (EPA ) | |
InChI
| |
УЛЫБКИ
| |
| Свойства | |
| Химическая формула | TiS 2 |
| Молярная масса | 111,997 г / моль |
| Внешний вид | желтый порошок |
| Плотность | 3,22 г / см, твердый |
| Растворимость в воде | нерастворимый |
| Структура | |
| Кристаллическая структура | гексагональная, пространственная группа P3m1, № 164 |
| Координационная геометрия | октаэдрическая |
| Если не указано иное, данные приведены для материалов в их стандартном состоянии (при 25 ° C [77 ° F], 100 кПа). | |
 Y (что такое ?) | |
| Ссылки в ink | |
Дисульфид титана представляет собой неорганическое соединение с формулой Ti S 2. Золотисто-желтое твердое вещество с высокой электрической проводимостью, оно принадлежит к группе соединений, называемых ди халькогенидами переходных металлов, которые имеют стехиометрию M E 2. TiS 2 использовался в качестве материала катода в аккумуляторных батареях.
TiS 2 принимает гексагональное закрытие упакованная структура (ГПУ), аналогичная йодиду кадмия (CdI 2). В этом мотиве половина октаэдрических отверстий заполнена «катионом », в данном случае Ti. Каждый центр Ti окружен шестью сульфидными лигандами в октаэдрической структуре. Каждый сульфид связан с тремя центрами Ti, геометрия в точке S пирамидальная. Некоторые ди халькогениды металлов имеют аналогичные структуры, но некоторые, особенно MoS 2, нет. Слои TiS 2 состоят из ковалентных связей Ti-S. Отдельные слои TiS 2 связаны вместе силами Ван-дер-Ваальса, которые являются относительно слабыми межмолекулярными силами. Он кристаллизуется в пространственной группе P3m1. Длина связи Ti-S составляет 2,423 Å.
Рисунок для внедрения Li в катод из TiS 2. Процесс включает набухание одной оси кристалла и перенос заряда от Li к Ti. Единственное наиболее полезное и наиболее изученное свойство TiS 2 - это его способность претерпевать интеркаляцию при лечение электроположительными элементами. Процесс представляет собой окислительно-восстановительную реакцию, проиллюстрированную в случае лития:
LiTiS 2 обычно описывается как Ли [TiS 2 ]. Во время интеркаляции и деинтеркаляции достигается диапазон стехиметрии с общей формулой Li x TiS 2 (x < 1). During intercalation, the interlayer spacing expands (the lattice "swells") and the electrical conductivity of the material increases. Intercalation is facilitated because of the weakness of the interlayer forces as well as the susceptibility of the Ti(IV) centers toward reduction. Intercalation can be conducted by combining a suspension of the disulfide material and a solution of the alkali metal in anhydrous ammonia. Alternatively solid TiS2реагирует с щелочным металлом при нагревании.
Модель жесткой полосы (RBM), которая предполагает, что структура электронной полосы не изменяется при интеркаляции, описывает изменения электронных свойств при интеркаляции.
Деинтеркаляция является противоположностью интеркаляции; катионы диффундируют между слоями. Этот процесс связан с перезарядкой Li / TiS 2 батареи. Интеркаляцию и деинтеркаляцию можно контролировать с помощью циклической вольтамперометрии. Микроструктура дисульфида титана сильно влияет на интеркаляцию и деинтеркаляцию кинетики. Нанотрубки из дисульфида титана имеют более высокую поглощающую способность и разрядную емкость, чем поликристаллическая структура. Постулируется, что более высокая площадь поверхности нанотрубок обеспечивает большее количество мест связывания для ионы анода, чем поликристаллическая структура re.
Формально содержащий d-ион Ti и дианион S с замкнутой оболочкой, TiS 2 является по существу диамагнитным. Его магнитная восприимчивость составляет 9 x 10 emu / моль, значение чувствительно к стехиометрии. Дисульфид титана - это полуметалл, что означает небольшое перекрытие зоны проводимости и валентной зоны.
Свойства дисульфида титана порошок был исследован с помощью синхротрона высокого давления дифракции рентгеновских лучей (XRD) при комнатной температуре. При атмосферном давлении TiS 2 ведет себя как полупроводник, в то время как при высоком давлении 8 ГПа материал ведет себя как полуметалл. При 15 ГПа транспортные свойства меняются. Не происходит значительного изменения плотности состояний на уровне Ферми до 20 ГПа, а фазовый переход не происходит до 20,7 ГПа. Изменение структуры TiS 2 наблюдалось при давлении 26,3 ГПа, хотя новая структура фазы высокого давления не была определена.
Элементарная ячейка дисульфида титана 3,407 на 5,695 ангстрем. Размер элементарной ячейки уменьшился до 17,8 ГПа. Уменьшение размера элементарной ячейки было больше, чем наблюдалось для MoS 2 и WS 2, что указывает на то, что дисульфид титана более мягкий и более сжимаемый. Поведение дисульфида титана при сжатии является анизотропным. Ось, параллельная слоям S-Ti-S (ось c), более сжимаема, чем ось, перпендикулярная слоям S-Ti-S (ось a), из-за слабых сил Ван-дер-Ваальса, удерживающих атомы S и Ti вместе. При 17,8 ГПа ось c сжимается на 9,5%, а ось a сжимается на 4%. Продольная скорость звука составляет 5284 м / с в плоскости, параллельной слоям S-Ti-S. Продольная скорость звука, перпендикулярная слоям, составляет 4383 м / с.
Дисульфид титана получают реакцией элементов при температуре около 500 ° C.
Его легче синтезировать из тетрахлорида титана, но этот продукт обычно менее чистый, чем продукт, полученный из элементов.
Этот путь был применен для образования пленок TiS 2 путем химического осаждения из паровой фазы. Тиолы и органические дисульфиды могут использоваться вместо сероводорода.
Известен ряд других сульфидов титана.
Образцы TiS 2 нестабильны на воздухе. При нагревании твердое вещество окисляется до диоксида титана :
TiS 2 также чувствителен к воде:
При нагревании, TiS 2 выделяет серу, образуя производное титана (III):
Тонкие пленки TiS 2 были приготовлены с помощью золь-гель процесса из изопропоксида титана (Ti (OPr) 4) с последующим нанесением покрытия центрифугированием. Этот метод дает аморфный материал, который кристаллизовался при высоких температурах до гексагонального TiS 2, ориентации кристаллизации которого в направлениях [001], [100] и [001]. Благодаря большой площади поверхности такие пленки привлекательны для аккумуляторных батарей.
Более специализированная морфология - нанотрубки, нанокластеры, усы, нанодиски, тонкие пленки, фуллерены - получают путем комбинирования стандартных реагентов, часто TiCl 4 необычным способом. Например, цветочная морфология была получена обработкой раствора серы в 1-октадецене тетрахлоридом титана.
Форма TiS 2 с фуллереноподобной -подобной структурой был получен с использованием метода TiCl 4/H2S. Полученные в результате сферические структуры имеют диаметр от 30 до 80 нм. Благодаря своей сферической форме эти фуллерены демонстрируют пониженный коэффициент трения и износ, что может оказаться полезным в различных применениях.
Нанотрубки из TiS 2 могут быть синтезированы с использованием варианта маршрута TiCl 4/H2S. Согласно просвечивающей электронной микроскопии (ТЕМ), эти трубки имеют внешний диаметр 20 нм и внутренний диаметр 10 нм. Средняя длина нанотрубок составляла 2-5 мкм, и было доказано, что нанотрубки являются полыми. Сообщается, что нанотрубки TiS 2 с открытыми концами содержат до 2,5 мас.% Водорода при 25 ° C и давлении газообразного водорода 4 МПа. Скорость абсорбции и десорбции высока, что является привлекательным для хранения водорода. Постулируется, что атомы водорода связываются с серой.
Нанокластеры или квантовые точки TiS 2 имеют отличительные электронные и химические свойства. свойства из-за квантового ограничения и очень большого отношения поверхности к объему. Нанокластеры можно синтезировать с использованием мицеллы . Нанокластеры получают из раствора TiCl 4 в тридодецилметиламмонийиодиде (TDAI), который служит обратной мицеллярной структурой и вызывает рост нанокластеров в той же общей реакции, что и нанотрубки. Зарождение зародышей происходит только внутри клетки мицелл из-за нерастворимости заряженных частиц в сплошной среде, которая обычно представляет собой инертное масло с низкой диэлектрической постоянной. Как и объемный материал, нанокластерная форма TiS 2 представляет собой гексагональную слоистую структуру.. Квантовое ограничение создает хорошо разделенные электронные состояния и увеличивает ширину запрещенной зоны более чем на 1 эВ по сравнению с объемным материалом. Спектроскопическое сравнение показывает большое синее смещение для квантовых точек 0,85 эВ.
Нанодиски TiS 2 возникают при обработке TiCl 4 серой в олеиламине.
Показана батарея с использованием дисульфида титана в качестве катод. Ионы лития интеркалируют и деинтеркалируют слоистый катод из дисульфида титана по мере того, как батарея заряжается и разряжается.Перспективы использования дисульфида титана в качестве материала катода в аккумуляторных батареях были описаны в 1973 г. М. Стэнли Уиттингем. Дихалькогениды IV и V групп привлекли внимание своей высокой электропроводностью. В первоначально описанной батарее использовались литиевый анод и катод из дисульфида титана. Эта батарея имела высокую плотность энергии, и диффузия ионов лития в катод из дисульфида титана была обратимой, что делало батарею перезаряжаемой. Дисульфид титана был выбран потому, что это самый легкий и дешевый халькогенид. Дисульфид титана также имеет самую высокую скорость диффузии иона лития в кристаллическую решетку. Основная проблема заключалась в деградации катода после многократных повторных циклов. Этот обратимый процесс интеркаляции позволяет перезаряжать батарею. Кроме того, дисульфид титана является самым легким и дешевым из всех слоистых дихалькогенидов IV и V групп. В 1990-х годах дисульфид титана был заменен другими катодными материалами (оксидами марганца и кобальта) в большинстве аккумуляторных батарей.
Использование катодов из TiS 2 остается интересным для использования в твердотельных литиевых батареях, например, для гибридных электромобилей и подключаемых электрических транспортные средства.
В отличие от твердотельных батарей, в большинстве литиевых батарей используются жидкие электролиты, которые создают проблемы с безопасностью из-за их воспламеняемости. Для замены этих опасных жидких электролитов было предложено множество различных твердых электролитов. Для большинства твердотельных батарей высокое межфазное сопротивление снижает обратимость процесса интеркаляции, сокращая жизненный цикл. Эти нежелательные межфазные эффекты менее проблемны для TiS 2. Одна полностью твердотельная литиевая батарея показала плотность мощности 1000 Вт / кг за 50 циклов с максимальной плотностью мощности 1500 Вт / кг. Кроме того, средняя емкость аккумулятора уменьшилась менее чем на 10% за 50 циклов. Хотя дисульфид титана обладает высокой электропроводностью, высокой плотностью энергии и большой мощностью, его разрядное напряжение относительно низкое по сравнению с другими литиевыми батареями, у которых катоды имеют более высокие восстановительные потенциалы.
Гексагональная плотно упакованная структура дисульфид титана, где синие сферы представляют катионы титана, а прозрачные сферы представляют сульфидные анионы. 