神奇材料新貴—納米二硫化鎢
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- 分類：鎢新聞
- 發佈於：2018-04-26, 週四 09:18
- 作者 中国钨业2018年第1期
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二維層狀材料的研究在近幾年受到科學家的關注，特別是快速發展的石墨烯納米材料，具有高強度、導電導熱性能優異的特點，被廣泛應用於感測器領域。石墨烯被稱為新材料之王，但是，石墨烯是零帶隙二維材料，不能作為電晶體的溝道層，限制了自身在納米電子器件、光電轉換等方面的進一步應用。
二維過渡金屬材料同樣具有類石墨烯結構，在光學、電學、感測器領域也呈現出極為優異的理化特性。尤其是過渡金屬硫族化合物，特別是 W 的第 VI 族過渡金屬硫化物——二硫化鎢。
單層納米二硫化鎢材料具二維有序分層結構及獨特的理化功能特性，其結構類似於石墨烯，過渡金屬硫族化物通過強內層共價 M-S鍵，較弱的范德華力層間相互作用結合在一起。其各向異性層狀結構具有優異的光學、電子和機械性能，同時具有較高的比表面積、表面效應、量子尺寸效應及小尺寸效應，廣泛應用於電學材料、納米感測器、納米催化材料、納米潤滑材料等多個領域，是近年來國外研究的熱門新型功能材料之一。
納米二硫化鎢不能通過對天然礦石處理直接得到，由於其獨特的二維納米材料層狀結構，目前開發高效、環保、經濟的納米二硫化鎢新型功能材料已成為研究的熱點。目前，納米二硫化鎢的主流制取方案有機械剝離法、水熱法、化學氣相沉積法、溶膠—凝膠法、原位表面修飾法等，總體來說，各種方法均有不足，納米二硫化鎢的制取成本較高。
一、在生物醫療材料領域：二硫化鎢可作為醫學造影劑應用于現在至未來的光熱治療中。這是因為二硫化鎢是具備六方晶系的層狀二維材料，由於其在近紅外（NIR）區域的強吸收和較好的生物相容性。近來，科研人員通過追蹤 WS2 以評估它們在細胞和組織環境中的定位，開發了多功能納米二硫化鎢二維材料，並結合醫學診斷、成像和治療，廣泛應用於生物醫學領域的檢測分析、癌症治療、毒理學、細胞成像、抗菌等多方面。
有關於納米二硫化鎢醫學應用的傳送門：：
二、在機械潤滑材料領域，二硫化鎢是具備六方晶系的層狀二維材料，WS2 層內是 W 和 S 通過強共價鍵結合，層間則是 S-S 分子鍵之間通過較弱的范德華力結合，層間的作用力較弱，鍵能較低，在摩擦過程中極易發生位移，因而具有較低的摩擦係數。另外，納米二硫化鎢可以及時吸附填充在物質的不平整表面，起到一定的自修復作用。過渡金屬納米二硫化鎢在-273～425 ℃範圍均能保持優異的潤滑性能，性能明顯優於傳統的潤滑油，能適應各種高溫高壓、高真空、高負荷、高轉速、高輻射、強腐蝕、超低溫等苛刻條件，廣泛應用於軍事、航太以及衛星、航空飛船等高科技領域。具備類似性能的還有二硫化鉬，但兩者相比，二硫化鉬則相形見絀。
有關於納米二硫化鎢潤滑應用的傳送門：：
在感測器製造材料領域：二硫屬元素包括提供激發特性的二維材料，具備金屬的半導電性能、螢光和快速異質電子轉移特性，在傳感材料方面的利用也出現了明顯趨勢。例如有科研人員成功開發了使用 WS2 納米材料作為傳感材料的選擇性室溫氨感測器，在室溫下顯示出良好的靈敏度和優異的氨選擇性，開發的氨感測器在室溫下對甲醛、乙醇、苯和丙酮顯示出優異的選擇性。
三、在催化領域，二硫化鎢是一種間接半導體，具有較大的比表面積，與氧化鎢材料一樣，它也可以作為一種光催化劑，在可見光照射下即可以吸收能量，躍遷產生電子 e躍遷產生電子 e 及空穴h，空穴與水反應，生成高反應活性和強氧化性的羥基自由基·OH，進而可以將大分子的有機染料或有機物降解為有機小分子和無機離子。光催化劑（光觸媒）是未來人類治理環境污染的主要手段，其前景將值得期待。
此外，同其它類型的鎢雜多酸催化劑一樣，二硫化鎢亦可應用於石油化工行業，具有裂解性能高、催化活性穩定可靠、使用壽命長等特性，並且其毒性低、熱穩定性和化學穩定性好，可用於油田加氫裂化和加氫脫硫的有效加氫處理催化劑。
四、在光電領域，二硫化鎢是一種具有 n型和 p 型半導體獨特特性的雙極型半導體，層狀二硫化鎢具有二維層狀晶體結構，具有很強的內平面共價鍵，以及由弱范德華力所主導的外平面相互作用，使高品質的異質結成為可能。同時將石墨烯這種特殊的二維材料與層狀 WS2 通過堆疊形成的異質結，也呈現出獨特的物理性質，吸引了研究者的關注，極大推動層狀二硫化鎢在微（納米）光電子、電子器件、光伏產業、電晶體領域的發展。例如有科研人員將二硫化鎢應用於調 Q 摻鉺脈衝雷射器，電晶體等。
有關於二硫化鎢光電應用的傳送門：
五、在新能源領域, 二硫化鎢是最被期待的材料之一。二硫化鎢材料結構與石墨烯類似，具備高比容量、高比表面積的優異特性，二硫化鎢具有通過較弱的范德華力連接的層狀結構，且其尺寸一般是納米尺度，層間會存在中空的內部及間隙，空間占比會較大，可供有效儲氫及儲鋰。同時，其熱穩定性較好，材料能夠被反復使用，並進行迴圈充放電，是一種優異的儲能電池材料，因而可以廣泛應用於太陽能電池、燃料電池陽極、鋰電池陽極、超級電容器等多個方面。例如，中鎢線上就曾報導過美國科學家以溶膠—凝膠法制出二硫化鎢超級電容器。
二硫化鎢新能源應用的傳送門：
納米二硫化鎢看似無所不能，但是研究人員也認為，它未來最主要的應用和研究將集中於醫療、光電和新能源領域，因為不管是潤滑也好，催化劑也罷，二硫化鎢的應用並非不可替代。相反，由於現階段二硫化鎢的成本因素，它必須在高端領域才能體現其應有的價值，這也是單層納米二硫化鎢未來的開發重點。(文章部分節選自中國鎢業《二硫化鎢納米材料的應用研究》）
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