概述
硫化硅是一種常溫下表現(xiàn)為白色晶體粉末的無機(jī)化合物，也被稱作二硫化硅，屬于斜方或正方晶體，常溫常壓下穩(wěn)定，遇濕則會發(fā)生分解，產(chǎn)物為二氧化硅與硫化氫。研究表明，該物質(zhì)可以用來制取芯片用的高純硅，大幅簡化硅的提純問題，且由于二硫化硅是一種呈纖維狀的聚合物，在新能源電池上也有著廣泛的應(yīng)用[1]。
合成方法
硫化硅在工業(yè)上主要有兩種合成路線，一種是先將鋁粉與硫磺高溫下反應(yīng)，制得硫化鋁，然后將硫化鋁與過量的硅砂高溫反應(yīng)，制得硫化硅和氧化鋁，然而這一種合成路線較為繁瑣，成本較高；另一種是采用硫化氫氣體和硅單質(zhì)在1800℃左右進(jìn)行反應(yīng)，制得硫化硅，然而硫化氫氣體有劇毒且易燃，安全問題較為嚴(yán)重[1]。為了解決上述合成工藝存在問題，研究人員對傳統(tǒng)工藝做了多種改進(jìn)，下面介紹兩種近些年發(fā)展起來的硫化硅合成方法。
方法一
以摩爾比為1:3.0-4.0的硅粉和硫粉為反應(yīng)原料，將反應(yīng)原料在溫度為725-825℃下使硫轉(zhuǎn)化成硫蒸氣，保持在硫蒸氣的壓力為2.2-3.2MPa的條件下煅燒2h以上。該方法的原料經(jīng)濟(jì)安全，制備流程簡捷，制備時間短和工藝穩(wěn)定性高，所得硫化硅粉末具有可控的棒形顯微結(jié)構(gòu)，高的相純度和化學(xué)純度，從而具有很強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景[2]。
方法二
化工原料合成技術(shù)領(lǐng)域還公開了一種硫化硅的雙溫區(qū)氣固合成工藝，包括以下步驟：S1，將硫塊與硅粉混合后置于合成管中，將合成管中抽至真空度為1100mTorr后密封，其中硫塊中硫單質(zhì)含量≧99.999%，硅粉中硅單質(zhì)含量≧99.9%。S2，合成管分為高溫區(qū)和低溫區(qū)，S1中混合后的硫塊和硅粉位于高溫區(qū)，合成管高溫區(qū)依次在600-800℃保溫1-3h，800-900℃保溫1-2h，900-1000℃保溫1-3h，1000-1100℃保溫1-3h和1100-1200℃保溫1-3h，合成管低溫區(qū)在200-300℃保溫，且低溫區(qū)保溫時間與高溫區(qū)保溫時間相同；S3，將S2中加熱結(jié)束后的合成管冷卻至室溫，得到產(chǎn)物硫化硅。通過該工藝合成硫化硅，生產(chǎn)過程安全，原料和生產(chǎn)過程均是環(huán)保的，且原料的成本低廉易得[3]。
應(yīng)用
硫化硅是一種應(yīng)用范圍極廣的無機(jī)材料，其應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋二次離子電池，催化劑，合金技術(shù)等多種領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>
二次離子電池技術(shù)領(lǐng)域報道了一種碳復(fù)合的硫族化合物復(fù)合材料，其包括硫族化合物納米晶和亂層石墨碳，其中硫族化合物納米晶位于亂層石墨碳的網(wǎng)絡(luò)化框架結(jié)構(gòu)中，硫族化合物納米晶的材質(zhì)包括金屬硫族化合物，硫化硅和二硒化硅中的至少一種。制備得到碳復(fù)合的硫族化合物復(fù)合材料在循環(huán)充放電100次以上時，仍然能夠保持較高的質(zhì)量比容量和99%以上的庫倫效率，具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能[4]。
催化劑技術(shù)領(lǐng)域公開了一種單層二硫化鉬催化劑的制備方法，包括以下步驟：將硫化硅，水，表面活性劑，硫化銨和鉬前驅(qū)體混合，用pH調(diào)節(jié)劑調(diào)節(jié)pH為1～2，反應(yīng)，加入水合肼，回流，洗滌，分離，真空干燥，焙燒，得到黑色固體。將黑色固體與氫氧化鈉溶液混合，攪拌處理，洗滌，分離，烘干，還原活化得到單層二硫化鉬催化劑。催化材料在300～600℃逆水氣變換反應(yīng)中顯示出優(yōu)異的催化活性以及100%的一氧化碳選擇性。此外，上述催化劑合成方法可以實現(xiàn)常壓下穩(wěn)定的單層二硫化鉬的制備，且比表面積遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)水熱法合成的二硫化鉬，活性位點暴露量顯著提高，在逆水氣變換反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的活性及穩(wěn)定性[5]。
此外，合金領(lǐng)域一份關(guān)于銅合金的報道表明，硫化硅，硫化亞鐵，二硫化亞鐵，銅，鋅，鐵，銻，鈦等物質(zhì)按照一定質(zhì)量分?jǐn)?shù)復(fù)配可以得到一種無鉛易切削的合金材料，其能夠有效地改善合金的加工特性[6]。
激發(fā)特性研究
用密度泛函理論中的B3LYP方法在6-311++G**基組下加入一定大小的電場(0-0.05a.u.)對硫化硅分子進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算，分別計算其基態(tài)幾何參數(shù)，電偶極矩和分子總能量，計算結(jié)果表明硫化硅的分子結(jié)構(gòu)受外電場的影響，電偶極矩隨電場的增大而增加，分子總能量隨外電場的增加而減少。同時在此基礎(chǔ)上加入雜化軌道算法，對硫化硅分子的激發(fā)能，激發(fā)態(tài)波長和振子強(qiáng)度進(jìn)行了計算，得出激發(fā)能隨外電場的增加而減少，說明其分子在強(qiáng)外場的影響下變得容易分解，而激發(fā)態(tài)波長從開始在紫外區(qū)逐漸平移到紫光區(qū)，振子強(qiáng)度也受外電場很大的影響[7]。
參考文獻(xiàn)
[1]吳文斌,舒小敏.一種二硫化硅的雙溫區(qū)氣固合成工藝:202110872400[P].
[2]邵剛勤,謝夢祥,張繼偉,等.一種二硫化硅及其制備方法:CN202210097096.2[P].
[3]吳文斌,舒小敏.一種二硫化硅的雙溫區(qū)氣固合成工藝:202110872400[P].
[4]張隆,劉艷艷.一種碳復(fù)合的硫族化合物復(fù)合材料及其制備方法和應(yīng)用:CN201910623741.8[P].
[5]蘇雄,鄭志遠(yuǎn),黃延強(qiáng),等.一種單層二硫化鉬催化劑的制備方法及其制備的催化劑和應(yīng)用:CN202411825253.2[P].
[6]曾凡躍.一種無鉛易切削銅合金及制備方法:CN201611125639.8[P].
[7]蔡成蘭,夏福友.外場下硫化硅的激發(fā)特性研究[J].科技展望,2014,(11):71-72.