Disulfure de molybdène - Molybdenum disulfide
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| Noms | |
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Nom IUPAC
bisulfure de molybdène
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| Autres noms
Sulfure de molybdène (IV)
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| Identifiants | |
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Modèle 3D ( JSmol )
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| ChEBI | |
| ChemSpider | |
| Carte d'information de l'ECHA |
100.013.877 
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CID PubChem
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| Numéro RTECS | |
| UNII | |
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Tableau de bord CompTox ( EPA )
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| Propriétés | |
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MoS 2 |
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| Masse molaire | 160,07 g/mol |
| Apparence | noir/gris-plomb uni |
| Densité | 5,06 g / cm 3 |
| Point de fusion | 2 375 °C (4 307 °F; 2 648 K) |
| insoluble | |
| Solubilité | décomposé par l' eau régale , l'acide sulfurique chaud , l'acide nitrique insoluble dans les acides dilués |
| Bande interdite | 1,23 eV (indirect, 3R ou 2H en vrac) ~ 1,8 eV (direct, monocouche) |
| Structure | |
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hP6 , P6 3/mmc , n° 194 (2H) |
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a = 0,3161 nm (2H), 0,3163 nm (3R), c = 1,2295 nm (2H), 1,837 (3R)
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Trigonal prismatique (Mo IV ) Pyramidal (S 2− ) |
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| Dangers | |
| Fiche de données de sécurité | FDS externe |
| Composés apparentés | |
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Autres anions
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Le molybdène (IV) oxyde de molybdène diséléniure de molybdène ditelluride |
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Autres cations
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Disulfure de tungstène |
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Lubrifiants associés
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Graphite |
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Sauf indication contraire, les données sont données pour les matériaux dans leur état standard (à 25 °C [77 °F], 100 kPa). |
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 vérifier ( qu'est-ce que c'est ?)
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| Références de l'infobox | |
Le disulfure de molybdène (ou moly) est un composé inorganique composé de molybdène et de soufre . Sa formule chimique est MoS
2.
Le composé est classé comme un dichalcogénure de métal de transition . C'est un solide noir argenté qui se présente sous forme de molybdénite minérale , le principal minerai de molybdène. MoS
2est relativement peu réactif. Il n'est pas affecté par les acides dilués et l' oxygène . En apparence et au toucher, le di sulfure de molybdène est similaire au graphite . Il est largement utilisé comme lubrifiant sec en raison de sa faible friction et de sa robustesse. MoS en vrac
2est un diamagnétique , largeur de bande interdite indirecte semi-conducteur semblable à du silicium , avec une bande interdite de 1,23 eV.
Production
Le MoS 2 se trouve naturellement sous forme de molybdénite , un minéral cristallin, ou de jordisite, une forme rare de molybdénite à basse température. Le minerai de molybdénite est traité par flottation pour donner du MoS relativement pur
2. Le principal contaminant est le carbone. MoS
2résulte également du traitement thermique de pratiquement tous les composés du molybdène avec du sulfure d'hydrogène ou du soufre élémentaire et peut être produit par des réactions de métathèse à partir du pentachlorure de molybdène .
Structure et propriétés physiques
Phases cristallines
Toutes les formes de MoS
2ont une structure en couches, dans laquelle un plan d'atomes de molybdène est pris en sandwich par des plans d'ions sulfure. Ces trois strates forment une monocouche de MoS 2 . Bulk MoS 2 se compose de monocouches empilées, qui sont maintenues ensemble par de faibles interactions de van der Waals .
Le MoS 2 cristallin se trouve dans la nature sous la forme d'une des deux phases, 2H-MoS 2 et 3R-MoS 2 , où le "H" et le "R" indiquent respectivement la symétrie hexagonale et rhomboédrique. Dans ces deux structures, chaque atome de molybdène existe au centre d'une sphère de coordination prismatique trigonale et est lié de manière covalente à six ions sulfure. Chaque atome de soufre a une coordination pyramidale et est lié à trois atomes de molybdène. Les phases 2H et 3R sont toutes deux semi-conductrices.
Une troisième phase cristalline métastable connue sous le nom de 1T-MoS 2 a été découverte en intercalant du 2H-MoS 2 avec des métaux alcalins. Cette phase a une symétrie tétragonale et est métallique. La phase 1T peut être stabilisée par dopage avec des donneurs d'électrons comme le rhénium, ou reconvertie en phase 2H par rayonnement micro-ondes.
Allotropes
Molécules de type nanotube et de type buckyball composées de MoS
2 sont connus.
Flocons de MoS 2 exfoliés
Alors que le MoS 2 en vrac dans la phase 2H est connu pour être un semi-conducteur à bande interdite indirecte, le MoS 2 monocouche a une bande interdite directe. Les propriétés optoélectroniques dépendantes de la couche du MoS 2 ont favorisé de nombreuses recherches dans les dispositifs bidimensionnels basés sur le MoS 2 . Le MoS 2 2D peut être produit en exfoliant des cristaux en vrac pour produire des flocons monocouches à quelques couches, soit par un processus micromécanique à sec, soit par un traitement en solution.
L'exfoliation micromécanique, également appelée pragmatiquement « exfoliation au scotch », consiste à utiliser un matériau adhésif pour décoller à plusieurs reprises un cristal en couches en surmontant les forces de van der Waals. Les paillettes de cristal peuvent ensuite être transférées du film adhésif vers un substrat. Cette méthode facile a été utilisée pour la première fois par Novoselov et Geim pour obtenir du graphène à partir de cristaux de graphite. Cependant, il ne peut pas être utilisé pour des couches 1-D uniformes en raison d'une adhérence plus faible du MoS 2 au substrat (soit Si, verre ou quartz). Le schéma ci-dessus est bon pour le graphène uniquement. Alors que le scotch est généralement utilisé comme ruban adhésif, les tampons PDMS peuvent également cliver de manière satisfaisante le MoS 2 s'il est important d'éviter de contaminer les flocons avec de l'adhésif résiduel.
L'exfoliation en phase liquide peut également être utilisée pour produire du MoS 2 monocouche à multicouche en solution. Quelques méthodes incluent l' intercalation de lithium pour délaminer les couches et la sonication dans un solvant à tension superficielle élevée.
Propriétés mécaniques
Le MoS 2 excelle en tant que matériau lubrifiant (voir ci-dessous) en raison de sa structure en couches et de son faible coefficient de frottement . Le glissement intercalaire dissipe l'énergie lorsqu'une contrainte de cisaillement est appliquée au matériau. Des travaux approfondis ont été effectués pour caractériser le coefficient de frottement et la résistance au cisaillement du MoS 2 dans diverses atmosphères. La résistance au cisaillement du MoS 2 augmente à mesure que le coefficient de frottement augmente. Cette propriété est appelée superlubrification . Dans des conditions ambiantes, le coefficient de frottement pour MoS 2 a été déterminé à 0,150, avec une résistance au cisaillement estimée correspondante de 56,0 MPa. Les méthodes directes de mesure de la résistance au cisaillement indiquent que la valeur est plus proche de 25,3 MPa.
La résistance à l'usure du MoS 2 dans les applications de lubrification peut être augmentée en dopant le MoS 2 avec du chrome. Des expériences de microindentation sur des nanopiliers de MoS 2 dopé au Cr ont révélé que la limite d'élasticité augmentait d'une moyenne de 821 MPa pour le MoS 2 pur (0 at. % Cr) à 1017 MPa pour 50 at. % Cr. L'augmentation de la limite d'élasticité s'accompagne d'un changement du mode de rupture du matériau. Alors que le nanopilier de MoS 2 pur échoue à cause d'un mécanisme de flexion en plastique, des modes de rupture fragiles deviennent apparents lorsque le matériau est chargé de quantités croissantes de dopant.
La méthode largement utilisée d'exfoliation micromécanique a été soigneusement étudiée dans MoS 2 pour comprendre le mécanisme de délamination dans les flocons de quelques couches à multicouches. Le mécanisme exact de clivage s'est avéré être dépendant de la couche. Les flocons plus minces que 5 couches subissent une flexion et des ondulations homogènes, tandis que les flocons d'environ 10 couches d'épaisseur se délaminent par glissement intercalaire. Les flocons avec plus de 20 couches présentaient un mécanisme de vrillage pendant le clivage micromécanique. Le clivage de ces flocons a également été déterminé comme étant réversible en raison de la nature de la liaison de van der Waals.
Ces dernières années, le MoS 2 a été utilisé dans des applications électroniques flexibles, favorisant davantage d'enquêtes sur les propriétés élastiques de ce matériau. Des tests de flexion nanoscopiques utilisant des pointes en porte-à-faux AFM ont été effectués sur des flocons de MoS 2 exfoliés par micromécanique qui ont été déposés sur un substrat troué. La limite d'élasticité des paillettes monocouches était de 270 GPa, tandis que les paillettes plus épaisses étaient également plus rigides, avec une limite d'élasticité de 330 GPa. Des simulations de dynamique moléculaire ont révélé que la limite d'élasticité dans le plan du MoS 2 était de 229 GPa, ce qui correspond aux résultats expérimentaux dans les limites de l'erreur.
Bertolazzi et ses collaborateurs ont également caractérisé les modes de défaillance des flocons monocouches en suspension. La déformation à la rupture varie de 6 à 11%. La limite d'élasticité moyenne du MoS 2 monocouche est de 23 GPa, ce qui est proche de la résistance à la rupture théorique pour le MoS 2 sans défaut .
La structure de bande de MoS 2 est sensible à la déformation.
Réactions chimiques
Le bisulfure de molybdène est stable à l'air et n'est attaqué que par des réactifs agressifs . Il réagit avec l'oxygène en chauffant en formant du trioxyde de molybdène :
- 2 MoS
2+ 7O
2→ 2 MoO
3+ 4 SO
2
Le chlore attaque le bisulfure de molybdène à des températures élevées pour former du pentachlorure de molybdène :
- 2 MoS
2+ 7cl
2→ 2 MoCl
5+ 2 S
2Cl
2
Réactions d'intercalation
Le bisulfure de molybdène est un hôte pour la formation de composés d' intercalation . Ce comportement est pertinent pour son utilisation comme matériau de cathode dans les batteries. Un exemple est un matériau lithié, Li
XMoS
2. Avec le butyl lithium , le produit est LiMoS
2.
Applications
Lubrifiant
En raison des faibles interactions de van der Waals entre les couches d'atomes de sulfure, MoS
2a un faible coefficient de frottement . MoS
2dont la taille des particules est comprise entre 1 et 100 µm est un lubrifiant sec courant . Il existe peu d'alternatives qui confèrent un pouvoir lubrifiant et une stabilité élevés jusqu'à 350 °C dans des environnements oxydants. Essais de frottement de glissement du MoS
2l'utilisation d'une goupille sur un testeur à disque à faible charge (0,1–2 N) donne des valeurs de coefficient de frottement <0,1.
MoS
2est souvent un composant de mélanges et de composites qui nécessitent un faible frottement. Par exemple, il est ajouté au graphite pour améliorer l'adhérence. Une variété d' huiles et de graisses sont utilisées, car elles conservent leur pouvoir lubrifiant même en cas de perte d'huile presque complète, trouvant ainsi une utilisation dans des applications critiques telles que les moteurs d'avion . Lorsqu'il est ajouté aux plastiques , MoS
2forme un composite avec une résistance améliorée ainsi qu'une friction réduite. Polymères pouvant être remplis de MoS
2comprennent le nylon ( nom commercial Nylatron ), le téflon et le Vespel . Les revêtements composites autolubrifiants pour les applications à haute température se composent de bisulfure de molybdène et de nitrure de titane , par dépôt chimique en phase vapeur .
Exemples d'applications de MoS
2Les lubrifiants à base de lubrifiants comprennent les moteurs à deux temps (tels que les moteurs de moto), les freins à rétropédalage de bicyclette , les joints universels et CV automobiles , les cires de ski et les balles .
D'autres matériaux inorganiques stratifiés qui présentent des propriétés lubrifiantes (collectivement appelés lubrifiants solides (ou lubrifiants secs)) comprennent le graphite, qui nécessite des additifs volatils et du nitrure de bore hexagonal .
Catalyse
MoS
2est utilisé comme co- catalyseur pour la désulfuration en pétrochimie , par exemple, l' hydrodésulfuration . L'efficacité du MoS
2catalyseurs est amélioré par dopage avec de petites quantités de cobalt ou de nickel . Le mélange intime de ces sulfures est supporté sur alumine . De tels catalyseurs sont générés in situ en traitant du molybdate/cobalt ou de l'alumine imprégnée de nickel avec H
2S ou un réactif équivalent. La catalyse ne se produit pas dans les régions régulières en forme de feuille des cristallites, mais plutôt au bord de ces plans.
MoS 2 trouve une utilisation comme catalyseur d' hydrogénation pour la synthèse organique . Il est dérivé d'un métal de transition commun , plutôt que d'un métal du groupe 10 comme c'est le cas pour de nombreuses alternatives, le MoS 2 est choisi lorsque le prix du catalyseur ou la résistance à l' empoisonnement au soufre sont une préoccupation majeure. MoS 2 est efficace pour l'hydrogénation de composés nitro en amines et peut être utilisé pour produire des amines secondaires par alkylation réductrice . Le catalyseur peut également effectuer une hydrogénolyse de composés organosulfurés , d' aldéhydes , de cétones , de phénols et d' acides carboxyliques en leurs alcanes respectifs . Le catalyseur souffre cependant d'une activité plutôt faible, nécessitant souvent des pressions d' hydrogène supérieures à 95 atm et des températures supérieures à 185°C.
Recherche
Évolution de l'hydrogène
MoS
2et les sulfures de molybdène apparentés sont des catalyseurs efficaces pour le dégagement d'hydrogène, y compris l' électrolyse de l'eau ; ainsi, sont peut-être utiles pour produire de l'hydrogène destiné à être utilisé dans les piles à combustible .
Microélectronique
Comme dans le graphène , les structures en couches de MoS
2et d'autres dichalcogénures de métaux de transition présentent des propriétés électroniques et optiques qui peuvent différer de celles en vrac. MoS en vrac
2a une bande interdite indirecte de 1,2 eV, tandis que MoS
2les monocouches ont une bande interdite électronique directe de 1,8 eV , supportant des transistors commutables et des photodétecteurs .
MoS
2les nanoflocons peuvent être utilisés pour la fabrication en solution de dispositifs memristifs et memcapacitifs en couches grâce à l'ingénierie d'un MoO
X/ MoS
2hétérostructure prise en sandwich entre des électrodes d'argent. MoS
2Les memristors à base sont mécaniquement flexibles, optiquement transparents et peuvent être produits à faible coût.
La sensibilité d'un biocapteur à transistor à effet de champ (FET) en graphène est fondamentalement limitée par la bande interdite nulle du graphène, ce qui entraîne une fuite accrue et une sensibilité réduite. En électronique numérique, les transistors contrôlent le flux de courant dans un circuit intégré et permettent l'amplification et la commutation. Dans la biodétection, la porte physique est supprimée et la liaison entre les molécules réceptrices intégrées et les biomolécules cibles chargées auxquelles elles sont exposées module le courant.
MoS 2 a été étudié en tant que composant de circuits flexibles.
En 2017, une implémentation d'un microprocesseur 1 bit à 115 transistors utilisant un MoS bidimensionnel
2.
MoS 2 a été utilisé pour créer des memristors 2D à 2 terminaux et des memtransistors à 3 terminaux .
Photonique et photovoltaïque
MoS
2possède également une résistance mécanique, une conductivité électrique et peut émettre de la lumière, ouvrant des applications possibles telles que les photodétecteurs. MoS
2 a été étudié en tant que composant d'applications photoélectrochimiques (par exemple pour la production d'hydrogène photocatalytique) et pour des applications microélectroniques.
Supraconductivité des monocouches
Sous un champ électrique MoS
2 les monocouches se sont avérées supraconductrices à des températures inférieures à 9,4 K.