一种真空合成二硫化钼的方法
阅读说明：本技术 一种真空合成二硫化钼的方法 (Method for synthesizing molybdenum disulfide in vacuum ) 是由 王飞 陈钰臻 陆从理 杨斌 刘大春 徐宝强 邓勇 曲涛 田阳 熊恒 郁青春 蒋 于 2021-08-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种真空合成二硫化钼的方法,将MoO-(3)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MoS-(2),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。(The invention discloses a method for synthesizing molybdenum disulfide in vacuum, which is to mix MoO 3 Uniformly mixing the powder and the S powder, placing the mixture into a quartz tube, sealing the quartz tube by using a tube sealing machine under the condition that the vacuum degree is 2-20 Pa, carrying out heat treatment on the sealed quartz tube, cooling and taking out the quartz tube, wherein the product in the quartz tube is MoS 2 The yield can reach 91.89% at most, and the product can be directly used as lubricant; the method adopts a vacuum synthesis mode to sulfurize molybdenum oxide into molybdenum disulfide, can be used for sulfurizing transition metal oxides, and has the advantages of low cost, short flow, simple and convenient operation, high yield and small environmental pollution.)
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。
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