神奇材料新贵—纳米二硫化钨
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- 分类：钨业新闻
- 发布于 2018年4月26日 星期四 09:18
- 作者：中国钨业2018年第1期
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二维层状材料的研究在近几年受到科学家的关注，特别是快速发展的石墨烯纳米材料，具有高强度、导电导热性能优异的特点，被广泛应用于传感器领域。石墨烯被称为新材料之王，但是，石墨烯是零带隙二维材料，不能作为晶体管的沟道层，限制了自身在纳米电子器件、光电转换等方面的进一步应用。
二维过渡金属材料同样具有类石墨烯结构，在光学、电学、传感器领域也呈现出极为优异的理化特性。尤其是过渡金属硫族化合物，特别是 W 的第 VI 族过渡金属硫化物——二硫化钨。
单层纳米二硫化钨材料具二维有序分层结构及独特的理化功能特性，其结构类似于石墨烯，过渡金属硫族化物通过强内层共价 M-S键，较弱的范德华力层间相互作用结合在一起。其各向异性层状结构具有优异的光学、电子和机械性能，同时具有较高的比表面积、表面效应、量子尺寸效应及小尺寸效应，广泛应用于电学材料、纳米传感器、纳米催化材料、纳米润滑材料等多个领域，是近年来国外研究的热门新型功能材料之一。
纳米二硫化钨不能通过对天然矿石处理直接得到，由于其独特的二维纳米材料层状结构，目前开发高效、环保、经济的纳米二硫化钨新型功能材料已成为研究的热点。目前，纳米二硫化钨的主流制取方案有机械剥离法、水热法、化学气相沉积法、溶胶—凝胶法、原位表面修饰法等，总体来说，各种方法均有不足，纳米二硫化钨的制取成本较高。
一、在生物医疗材料领域：二硫化钨可作为医学造影剂应用于现在至未来的光热治疗中。这是因为二硫化钨是具备六方晶系的层状二维材料，由于其在近红外（NIR）区域的强吸收和较好的生物相容性。近来，科研人员通过追踪 WS2 以评估它们在细胞和组织环境中的定位，开发了多功能纳米二硫化钨二维材料，并结合医学诊断、成像和治疗，广泛应用于生物医学领域的检测分析、癌症治疗、毒理学、细胞成像、抗菌等多方面。
有关于纳米二硫化钨医学应用的传送门：：
二、在机械润滑材料领域，二硫化钨是具备六方晶系的层状二维材料，WS2 层内是 W 和 S 通过强共价键结合，层间则是 S-S 分子键之间通过较弱的范德华力结合，层间的作用力较弱，键能较低，在摩擦过程中极易发生位移，因而具有较低的摩擦系数。另外，纳米二硫化钨可以及时吸附填充在物质的不平整表面，起到一定的自修复作用。过渡金属纳米二硫化钨在-273～425 ℃范围均能保持优异的润滑性能，性能明显优于传统的润滑油，能适应各种高温高压、高真空、高负荷、高转速、高辐射、强腐蚀、超低温等苛刻条件，广泛应用于军事、航天以及卫星、航空飞船等高科技领域。具备类似性能的还有二硫化钼，但两者相比，二硫化钼则相形见绌。
有关于纳米二硫化钨润滑应用的传送门：：
在传感器制造材料领域：二硫属元素包括提供激发特性的二维材料，具备金属的半导电性能、荧光和快速异质电子转移特性，在传感材料方面的利用也出现了明显趋势。例如有科研人员成功开发了使用 WS2 纳米材料作为传感材料的选择性室温氨传感器，在室温下显示出良好的灵敏度和优异的氨选择性，开发的氨传感器在室温下对甲醛、乙醇、苯和丙酮显示出优异的选择性。
三、在催化领域，二硫化钨是一种间接半导体，具有较大的比表面积，与氧化钨材料一样，它也可以作为一种光催化剂，在可见光照射下即可以吸收能量，跃迁产生电子 e跃迁产生电子 e 及空穴h，空穴与水反应，生成高反应活性和强氧化性的羟基自由基·OH，进而可以将大分子的有机染料或有机物降解为有机小分子和无机离子。光催化剂（光触媒）是未来人类治理环境污染的主要手段，其前景将值得期待。
此外，同其它类型的钨杂多酸催化剂一样，二硫化钨亦可应用于石油化工行业，具有裂解性能高、催化活性稳定可靠、使用寿命长等特性，并且其毒性低、热稳定性和化学稳定性好，可用于油田加氢裂化和加氢脱硫的有效加氢处理催化剂。
四、在光电领域，二硫化钨是一种具有 n型和 p 型半导体独特特性的双极型半导体，层状二硫化钨具有二维层状晶体结构，具有很强的内平面共价键，以及由弱范德华力所主导的外平面相互作用，使高质量的异质结成为可能。同时将石墨烯这种特殊的二维材料与层状 WS2 通过堆叠形成的异质结，也呈现出独特的物理性质，吸引了研究者的关注，极大推动层状二硫化钨在微（纳米）光电子、电子器件、光伏产业、晶体管领域的发展。例如有科研人员将二硫化钨应用于调 Q 掺铒脉冲激光器，晶体管等。
有关于二硫化钨光电应用的传送门：
五、在新能源领域, 二硫化钨是最被期待的材料之一。二硫化钨材料结构与石墨烯类似，具备高比容量、高比表面积的优异特性，二硫化钨具有通过较弱的范德华力连接的层状结构，且其尺寸一般是纳米尺度，层间会存在中空的内部及间隙，空间占比会较大，可供有效储氢及储锂。同时，其热稳定性较好，材料能够被反复使用，并进行循环充放电，是一种优异的储能电池材料，因而可以广泛应用于太阳能电池、燃料电池阳极、锂电池阳极、超级电容器等多个方面。例如，中钨在线就曾报道过美国科学家以溶胶—凝胶法制出二硫化钨超级电容器。
二硫化钨新能源应用的传送门：
纳米二硫化钨看似无所不能，但是研究人员也认为，它未来最主要的应用和研究将集中于医疗、光电和新能源领域，因为不管是润滑也好，催化剂也罢，二硫化钨的应用并非不可替代。相反，由于现阶段二硫化钨的成本因素，它必须在高端领域才能体现其应有的价值，这也是单层纳米二硫化钨未来的开发重点。(文章部分节选自中国钨业《二硫化钨纳米材料的应用研究》）
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