富勒烯纳米材料的结构非常奇特, 性质优异, 潜在应用领域众多, 因此发现后受到十分广泛的关注, 全世界科学家均对其展开研究。现阶段, 已经发现各种层状无机化合物的纳米粒子与纳米管, IF-WS2即为其中之一, IF-WS2结构为准球形, 悬空键并不存在, 表面能低, 化学稳定性高, 具有远远超过传统层状2H-WS2的摩擦性能。科学家研究IF-WS2时, 制备方法、理化性质依然是研究的重点, 因此, 这两方面研究进展的综述具有十分重要的现实意义。
化学气固反应法是最早使用的制备方法, 而且该种合成方法也是目前研究最为清楚、成熟的。最初, R.Tenne等利用H2S、WO3薄膜, 反应时的还原性气氛为 (95%N2+5%H2) , 温度850℃, 将IF-WS2纳米粒子与纳米管合成出来。经研究的进展, 学者发现, 此种方法合成时获得的产物量非常少。随后, Feldman Y等将WO3薄膜替换为WO3粉, 并改进反应器, 合成后获得的产物量比较客观, 每次可达到50mg。2000年时, 不改变反应原料条件下, 硫化床反应器被设计出来, 有效的实现了连续制备IF-WS2纳米粒子与纳米管。目前, IF-WS2纳米粒子与纳米管利用此种方法制备时, 每月制备产量几千克, 且具有完美结构, 已经实现小批量工业化生产, 销售中心也已经建立在美国。
Y.Q.Zhu以Si O2为原料, 采用W箔加热, 并将反应气氛改变, 使WS2纳米管经两步合成。在加热装置中, 不锈钢容器与其连接, 利用水冷却电极, W箔连接电极, 于容器底部放置, 而容器顶部则放置Si O2薄片。首先, 使整个容器内充满Ar气, 接着将35A电流与W箔连接, 30min后, W箔温度经光学测温仪测量, 温度1200℃后, 保温0.5h, 树状结构出现在Si O2薄片边缘, 检测后发现属于纳米棒, 此时, H2S气体快速的输入到不锈钢通气中, 电流同时降低到30A, 并降低容器内温度, 降至1000℃后, 保温0.5h, 完成后, 灰色针状结构存在于Si O2薄片边缘[1]。电源关闭, 冷却, 达到室温后, 收集针状结构产物, 此种产物即为WS2纳米管。
低温下, WS2纳米管可利用热分解法制备。首先, 将 (NH4) 2WS2制备出来, 反应原料为HN4S与 (NH4) 6W12O39, 之后通过H2气氛, 球磨上步制备出来的产物, 达到纳米尺寸或无定型后停止, 使其表面增大, 促进其缺陷及反应活性增加。球磨前, (NH4) 2WS2表面积测量值为1.2m2/g, 球磨后, 增加到11.5m2/g。完成球磨后, 在石英坩埚中放置 (NH4) 2WS2纳米粉, 使其散开尽量进行, 管式炉上放置石英坩埚, H2与C4H4S气氛下, 将温度增加到360℃, 保温0.5h, 随后, 气氛不变, 冷却温度, 到达室温后, 对产物做出检测, 发现是WS2纳米管[2]。
R.L.D.Whitby在进行单壁WS2纳米管制备时, 采用多壁碳纳米管。-78℃液氮条件下, 50mg多壁碳纳米管中放置H2WO4250mg, 充分混合后室温下挥发液氮, 完成后, 加热固体残留物, 空气流100ml/min, 温度达到350℃后, 给予15min保温, 转化多壁碳纳米管表面的H2WO4, 变为WO3, 并使其表面覆盖的无定型碳被去除。经EDX分析发现, WO3-x覆盖在多壁碳纳米管表面, 对其加热处理后, 收集产物, 发现产物是单层WS2包裹的多壁碳纳米管。
Reshef Tenne等2006年时以多壁WS2无机类富勒烯纳米管为研究对象, 实施大量的力学实验, 结果显示, 研究对象所具备的力学特性与化学键特性强度相当。向纳米管实施张力测试, 拉断之后, 绘制出劳损曲线, 发现纳米管的弹性行为非常好, 计算曲线斜率后, 杨氏模量超过130Gpa的占据总量的50%, 此种张力高出不锈钢的7倍左右。
大量理论及实验指出, IF-WS2的耐磨性能与抗高压能力均比较好, 原因是其所具备的闭合壳层是完整的, 最低程度的降低了未饱和的悬键, 所以化学惰性良好, 可有效的避免键合试件表面的金属原子, 促进磨粒与自身或磨屑形成。同时, 还具备较高的热学稳定性, 载荷较宽的范围内, 优异润滑性能可较长时间保持。因硬质金属钨嵌入其中, 促使抗载荷能力明显提高。
近几年, 成功制备了单根WS2纳米管基础上的光电晶体管, 此晶体管可对可见光灵敏度做出检测, 不仅提高了3倍载流子迁移率, 而且提高了20倍载流子密度, 现阶段, 医疗电子设备、家电行业广泛的应用此种晶体管。
结论:现阶段, 国外已经具备比较成熟的制备IF-WS2纳米粒子与纳米管的技术, 与国外相比, 我国研究比较少, 且较为滞后, 应进一步的加大研究, 以能充分的利用我国丰富的钨材料。
摘要：本文中, 对富勒烯和纳米管结构二硫化钨 (IFWS2) 的制备方法与理化性质做出阐述与介绍, 为其研究的进一步开展提供参考。
关键词：富勒烯,纳米管,二硫化钨
[1] 李国华, 曾跃武, 宋旭春, 等.多元金属二硫化物纳米管的制备与结构特征[J].无机材料学报, 2014, (03) :481-486.
[2] 韩明儒, 魏世忠, 韩华.无机类富勒烯结构二硫化钼纳米润滑材料的制备与应用[J].轴承, 2014, (09) :55-59.
