تیتانیوم دی‌سولفید : خواص، روش های سنتز، کاربردها

 

تیتانیوم دی‌سولفید یک ترکیب غیر آلی به شکل یک ماده جامد زرد طلایی با هدایت الکتریکی بالا می باشد. این ماده به گروهی از ترکیبات به نام دی چالکوژنیدهای فلز انتقالی تعلق دارد که از استوکیومتری ME۲ تشکیل شده است و به عنوان ماده کاتدی در باتری های قابل شارژ استفاده شده است.

 

این ترکیب با داشتن ساختار لایه ای شش ضلعی (hcp) بسته، مشابه یدید کادمیوم (CdI2) می باشد. لایه ها از پیوندهای کووالانسی Ti-S تشکیل شده اند و لایه های منفرد TiS۲ توسط نیروهای ون در والسی، که نیروهای بین مولکولی نسبتاً ضعیفی هستند، به هم متصل می شوند.

 

خواص و مشخصات شناسایی تیتانیوم دی سولفید

 

خواص  مشخصات
شکل فیزیکی                                                         پودر زرد رنگ فرمول شیمیایی                                                                      TiS۲
دانسیته                                                                  (g/cm۳)۳.۲۲ وزن مولکولی                                                       (g/mol) 111.997
حلالیت در آب                                                               نامحلول شماره (CAS No)                                                        ۱۲۰۳۹-۱۳-۳

 

خواص پودر دی سولفید تیتانیوم توسط پراش اشعه ایکس سنکروترون فشار بالا (XRD) در دمای اتاق مورد مطالعه قرار گرفته است. در فشار محیط، این ماده مانند نیمه هادی رفتار می کند در حالیکه در فشارهای زیاد ۸ گیگاپاسکال ماده به صورت نیمه فلزی رفتار می کند.

 

سلول واحد دی سولفید تیتانیوم ۴۰۷/۳ در ۶۹۵/۵ آنگستروم است. کاهش اندازه سلول بیشتر از آنچه در MoS۲ و WS۲ مشاهده شده بود، نشان می دهد که دی سولفید تیتانیوم نرم و قابل فشردگی است. رفتار فشرده سازی دی سولفید تیتانیوم ناهمسانگرد است.

 

روش سنتز تیتانیوم دی‌سولفید

 

روش سنتز تیتانیوم دی‌سولفید

 

دی سولفید تیتانیوم از طریق واکنش عناصر در حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد تهیه می شود:

 

Ti + 2S → TiS۲

 

به راحتی می توان آن را از تتراکلرید تیتانیوم سنتز کرد، اما این محصول به طور معمول خلوص کمتری نسبت به عناصر بدست آمده دارد:

 

TiCl۴ + ۲H۲S → TiS۲ + ۴HCl

 

این مسیر برای تشکیل لایه های TiS۲ توسط رسوب بخار شیمیایی اعمال شده است. می توان به جای سولفید هیدروژن از تیول ها و دی سولفیدهای آلی نیز استفاده کرد. نمونه های تیتانیوم دی سولفید در هوا ناپایدار هستند. با گرم شدن، ماده جامد تحت اکسیداسیون دی اکسید تیتانیوم قرار می گیرد:

 

TiS۲ + O۲ → TiO۲ + ۲S

 

TiS۲ به آب نیز حساس است:

 

TiS۲ + ۲H۲O → TiO۲ + ۲H۲S

 

همچنین با گرم شدن، این ماده گوگرد آزاد می کند و مشتق تیتانیوم (III) را تشکیل می دهد:

 

 TiS۲ → Ti۲S۳ + S۲

روش سنتز سل ژل

 

روش سنتز سل ژل

 

لایه های نازک دی‌سولفید تیتانیوم توسط فرآیند سل-ژل از ایزوپروپوکسید تیتانیوم و پس از آن پوشش چرخشی تهیه شده است. این روش مواد آمورفی را ارائه می دهد که در دمای بالا به TiS۲ شش ضلعی متبلور می شوند، جهت گیری تبلور در جهات [۰۰۱]، [۱۰۰] و [۰۰۱] می باشد. این نوع فیلم ها به دلیل مساحت زیاد، برای کاربردهای مرتبط با باتری جذاب هستند.

 

روش سنتز نمونه های نانو تیتانیوم دی سولفید

 

نانولوله های این ماده را می توان با استفاده از تغییر مسیر TiCl۴ / H۲S سنتز کرد. بر اساس تصاویر  میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM)، این لوله ها دارای قطر خارجی ۲۰ نانومتر و قطر داخلی ۱۰ نانومتر هستند. طول متوسط ​​نانولوله ها ۵/۲ میکرومتر بود و نانولوله ها توخالی بوده اند.

 

گزارش شده است که نانولوله های TiS۲ با نوک انتهای باز تا ۲.۵ درصد وزن هیدروژن را در دمای ۲۵ درجه سانتیگراد و فشار گاز هیدروژن ۴ مگاپاسکال ذخیره می کنند. میزان جذب و دفع آنها سریع است، که برای ذخیره هیدروژن جذاب است. فرض می شود که اتم های هیدروژن به گوگرد متصل می شوند.

 

نانو خوشه ها و نانو دیسک ها

 

نانو خوشه ها یا نقاط کوانتومی دی سولفید تیتانیوم به دلیل محصوریت کوانتومی و نسبت سطح به حجم بسیار، خاصیت الکترونیکی و شیمیایی متمایزی دارند. نانو خوشه ها را می توان با استفاده از میسل سنتز کرد.

 

نانو خوشه ها از محلول TiCl۴ در یدید تریدودسیل متیل آمونیوم یدید (TDAI) تهیه می شوند، که به عنوان ساختار میسل معکوس عمل می کنند و رشد نانو خوشه ها را در همان واکنش عمومی همان نانولوله ها ایجاد می کنند. هسته ای شدن فقط به دلیل عدم حل شدن گونه های باردار در محیط پیوسته که به طور کلی یک روغن بی اثر ثابت ثابت دی الکتریک است، در داخل فضای میسل رخ می دهد.

 

کاربردهای تیتانیوم دی سولفید

 

کاربردهای تیتانیوم دی سولفید

 

دی سولفید تیتانیوم به عنوان ماده کاتدی در باتری های قابل شارژ در سال ۱۹۷۳ توسط M. Stanley Whitingham توصیف شد و dichalcogenides گروه IV و V توجه به رسانایی الکتریکی بالا را به خود جلب کرد. در باتری توصیف شده اولیه از یک آند لیتیوم و یک کاتد دی سولفید تیتانیوم استفاده شده است.

 

این باتری از چگالی انرژی بالایی برخوردار بوده و انتشار یون های لیتیوم به داخل کاتد دی سولفید تیتانیوم برگشت پذیر بوده و باعث می شود باتری قابل شارژ باشد. تیتانیوم دی‌سولفید به این دلیل انتخاب شد که سبک ترین و ارزان ترین کالکوژنید است.

 

دی سولفید تیتانیوم همچنین دارای سریعترین سرعت انتشار یون لیتیوم در شبکه بلوری است. مشکل اصلی، تخریب کاتد پس از چندین بار بازیافت بوده که این فرایند برگشت پذیر امکان شارژ مجدد باتری را فراهم می کند.

 

استفاده از کاتد های TiS۲ برای استفاده در باتری های لیتیوم حالت جامد همچنان مورد توجه است، به عنوان مثال، برای وسایل نقلیه الکتریکی هیبریدی و وسایل نقلیه الکتریکی پلاگین به کار برده می شود. برخلاف باتری های حالت جامد، اکثر باتری های لیتیومی از الکترولیت های مایع استفاده می کنند که به دلیل اشتعال پذیری، موارد ایمنی ایجاد می کنند.

 

گرچه تیتانیوم دی‌سولفید از هدایت الکتریکی، چگالی انرژی و قدرت بالایی برخوردار است، ولتاژ تخلیه آن در مقایسه با سایر باتری های لیتیوم که کاتدها دارای پتانسیل های کاهش بیشتری هستند، نسبتاً کم است.