CN113772731A - 一种真空合成二硫化钼的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种真空合成二硫化钼的方法，将MoO3粉末和S粉混合均匀后放到石英管中，将石英管在真空度为2～20Pa条件下，用封管机进行密封，将密封后的石英管进行热处理，冷却后取出石英管，石英管内产物为MoS2，收率最高可达91.89％，可直接用作润滑剂；本发明采用真空合成的方式将氧化钼硫化为二硫化钼，该方法同时可以用于过渡金属氧化物的硫化，具有成本低、流程短、操作简便、收率高，对环境污染小的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种真空合成二硫化钼的方法，属于真空冶金技术领域。
背景技术
过渡金属硫化物因拥有石墨烯类似的晶体结构，同时又具有石墨烯没有的带隙结构，因此有独特的物理、化学、光电性质，成为了新兴材料中的研究热点。其中二硫化钼因能够在高温、高压、高速旋转的环境条件下仍保持较好的润滑性能，被誉为“润滑剂大王”，广泛应用于航天、军工、核工业等高新技术领域。工业上生产二硫化钼主要为化学合成法，所用原料各有不同，一般以钼酸铵为原料，将其硫化转化为硫代钼酸铵，然后通过硫代钼酸铵的热分解制备MoS2，此外，也有将三氧化钼与工业硫粉直接反应生成MoS2等方法。
申请号为201410314766.7的专利，以钼酸铵为原料，硫脲作为硫源对其进行硫化，生成MoS3沉淀，离心之后进行热分解得到MoS2，生产流程长，制备条件严苛，且产物的尺寸与形貌难以调控，不适宜大规模地生产与应用。
HL A等人利用三氧化钼与工业硫粉直接反应，产物中游离的MoO3与未完全硫化的MoO2成为主要的杂质，硫含量不稳定，导致Mo与S的含量比也不稳定，一定程度上影响产品后续的使用。同时无论是何种方法，在制造过程中都会造成原料的大量流失，产物中成分掺杂、产率不高，收集工艺复杂，对环境污染大，生产成本较高等缺点。
发明内容
针对上述现有技术存在的问题及不足，本发明提供一种真空合成二硫化钼的方法，以氧化钼(99.95％)、工业硫粉为原料，将原料按照一定比例均匀混合后装入石英管内，在真空条件下对其进行密封，随后将石英管进行加热处理，直接得到产物二硫化钼。
一种真空合成二硫化钼的方法，具体步骤如下：
(1)将MoO3粉末和S粉混合均匀；
(2)将步骤(1)得到的粉末放到石英管中，然后将石英管在真空度为2～20Pa条件下，用封管机进行密封；
(3)将步骤(2)得到的样品进行热处理，待冷却后取出石英管，石英管内产物为MoS2。
所述MoO3粉末纯度为99.95％；S粉为工业硫粉。
所述MoO3粉末与S粉的质量比1:1～3。
所述石英管封存时压强为2～20Pa，石英管内径为10～30mm。
所述热处理是升温至500℃～600℃后保温10min～30min。
根据物质蒸气压与温度公式：lg(P/kPa)＝A*103*T-1+B*lgT+c*10-3+D，计算出三氧化钼在1～120Pa条件下的挥发温度，如图1所示，可知随着饱和蒸汽压的增加，三氧化钼对应挥发所需的温度显著上升，同时可以得到在2～20Pa的情况下，对应的挥发温度为：890K～950K；可知真空条件可以显著降低反应所需的温度。
利用Factsage计算出10Pa条件下MoO3-S二元平衡相图，如图2所示，可知在10Pa下生成二硫化钼的反应温度约为700K-1490K，同时要求参与反应MoO3与S的质量比为：1:0.125～9，因此设定压强在2～20Pa的条件下，发生气固反应生成二硫化钼，反应温度可以设置为500℃～600℃。
同时由二元平衡相图可知，当S参与反应较少的情况下，将会生成MoO2、MoS3等中间产物，但物料是在真空条件下进行封存，反应温度设置为500℃～600℃，控制MoO3粉末和S粉的质量比为1:1～3，这样的条件下发生的反应为：MoO3+3.5S(g)＝MoS2+1.5SO2(g)，硫粉在真空条件下快速地挥发变成气体，因此上述反应保温的时间可控制在10～30min，由此三氧化钼全部硫化为二硫化钼，并无中间产物的生成，真空封存就能够在较低的温度、较短的保温时间下获得较高的收率。
本发明的优点在于工艺流程简单，便于操作，硫化过程在密闭的石英管中进行，该过程能实现氧化钼和硫的充分反应，极大减少了工业硫粉的使用量，生成MoS2过程中无新的杂质产生，产品质量高。由于是在真空条件下进行，原料的反应温度显著减低，具有经济环保、反应速度快、能耗低等优点；从硫化原理分析，应用于此方法的原料不仅仅局限于三氧化钼，还可以用于三氧化钨等过渡金属氧化物的硫化。
附图说明
图1为MoO3饱和蒸汽压与温度的关系；
图2为MoO3与S在10Pa条件下的二元平衡相图；
图3为实施例1产物的XRD图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步说明，但是本发明的保护范围并不限于所述内容。
实施例1
一种真空合成二硫化钼的方法，具体步骤如下：
(1)原料混合：按照质量比1:1称取MoO3粉末与S粉末，原料称取后均匀混合配置成若干份混合粉末；其中MoO3粉末纯度为99.95％，硫粉为工业硫粉；
(2)真空封管：将步骤(1)得到的若干份粉末分别放到若干个石英管中，石英管内径为10mm，用封管机，在真空度10Pa条件下对石英管进行密封；
(3)将步骤(2)得到的样品放入内热式真空炉内，炉内压强10Pa，升温至500℃后保温30min，待冷却后取出石英管；得到的MoS2产物质量为0.89g，收率为80.18％。
图3为本实施例步骤(3)产物的XRD图，从图中可以看出产物的特征峰与MoS2完全匹配，说明真空硫化过程中MoO3全部转化成MoS2。制备的二硫化钼广泛用于润滑剂、锂电池超级电容、光催化剂、合成纳米复合材料等。
实施例2
一种真空合成二硫化钼的方法，具体步骤如下：
(1)原料混合：按照质量比1:2称取MoO3与S粉末，原料称取后均匀混合配置成若干份混合粉末；其中MoO3粉末纯度为99.95％，硫粉为工业硫粉；
(2)真空封管：将步骤(1)得到的若干份粉末分别放到若干个石英管中，石英管内径为30mm，用封管机，在真空度2Pa条件下对石英管进行密封；
(3)将步骤(2)得到的样品放入内热式真空炉内，炉内压强2Pa，升温至550℃后保温20min，待冷却后取出石英管；得到的冷凝物MoS2产物质量为0.96g，收率为86.48％。
实施例3
一种真空合成二硫化钼的方法，具体步骤如下：
(1)原料混合：按照质量比1:3称取MoO3与S粉末，原料称取后均匀混合配置成若干份混合粉末；其中MoO3粉末纯度为99.95％，硫粉为工业硫粉；
(2)真空封管：将步骤(1)得到的若干份粉末分别放到若干个石英管中，石英管内径为20mm，用封管机进行密封；其中石英管在真空度20Pa条件下进行密封；
(3)将步骤(2)得到的样品放入内热式真空炉内，炉内压强20Pa，升温至600℃后保温10min，待冷却后取出石英管；得到的冷凝物MoS2产物质量为1.02g，收率为91.89％。
对比例1
现将MoO3与S粉按照质量比1:5称取原料MoO3与S粉末，将其混合均匀之后直接放置于敞口的石墨坩埚中，将石墨坩埚放置于真空炉内，炉内压强为10Pa，升温至800℃后保温60min，产物为MoO2与MoS2混合物，质量为0.55g，收率为49.54％。
对比例2
传统气相沉积法制备MoS2，将MoO3与S粉按照质量比为1:10进行称取，后将原料分别放置于800℃、180℃两个温区，同时通入H2、Ar营造还原性的气氛，在设定温度下保温90min，生成MoS2，产物质量为0.76g，收率为68.46％。
综上，本发明实施例1-3生成物收率均高于对比例1和对比例2，本发明将MoO3与S混合均匀后至于石英管内进行真空密封，放置于电阻炉内焙烧，在真空条件下有效降低了反应温度，且原料全部参与反应，无需加入过量硫粉，实施例产物为MoS2，纯度高、杂质少、粒度细，无需进一步除杂处理。
Claims (5)
1.一种真空合成二硫化钼的方法，其特征在于，具体步骤如下：
将MoO3粉末和S粉混合均匀后放到石英管中，将石英管在真空度为2～20Pa条件下，用封管机进行密封，将密封后的石英管进行热处理，冷却后取出石英管，石英管内产物为MoS2。
2.根据权利要求1所述真空合成二硫化钼的方法，其特征在于，MoO3粉末纯度为99.95％，S粉为工业硫粉。
3.根据权利要求1所述真空合成二硫化钼的方法，其特征在于，MoO3粉末和S粉的质量比为1:1～3。
4.根据权利要求1所述真空合成二硫化钼的方法，其特征在于，石英管封存压强2～20Pa，石英管内径为10～30mm。
5.根据权利要求1所述真空合成二硫化钼的方法，其特征在于，热处理是升温至500℃～600℃后保温10min～30min。
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