El disulfuro de tungsteno es un compuesto químico inorgánico formado por tungsteno y azufre con la fórmula química WS2 . Este compuesto forma parte del grupo de materiales denominados dicalcogenuros de metales de transición . Se encuentra en la naturaleza como el mineral raro tungsteno . Este material es un componente de ciertos catalizadores utilizados para la hidrodesulfuración y la hidrodesnitrificación .
El WS 2 adopta una estructura en capas similar o isotípica al MoS 2 , en lugar de átomos de Mo, con átomos de W situados en una esfera de coordinación prismática trigonal . Debido a esta estructura en capas, el WS 2 forma nanotubos no carbonados , que se descubrieron tras calentar una muestra delgada de WS 2 en 1992. [6]
El WS 2 a granel forma cristales hexagonales de color gris oscuro con una estructura en capas. Al igual que el MoS 2 , estrechamente relacionado, presenta propiedades de lubricante seco .
Aunque durante mucho tiempo se ha pensado que el WS 2 es relativamente estable en el aire ambiente, informes recientes sobre la oxidación en el aire ambiente de la monocapa WS 2 han descubierto que este no es el caso. En la forma de monocapa, el WS 2 se convierte con bastante rapidez (en el transcurso de días en la luz ambiente y la atmósfera) en óxido de tungsteno a través de una reacción de fotooxidación que involucra longitudes de onda visibles de luz fácilmente absorbidas por la monocapa WS 2 (< ~660 nm; > ~1,88 eV). [8] Además de luz de longitud de onda adecuada, la reacción probablemente requiere tanto oxígeno como agua para proceder, y se cree que el agua actúa como catalizador para la oxidación. Los productos de la reacción probablemente incluyen varias especies de óxido de tungsteno y ácido sulfúrico . La oxidación de otros dicalcogenuros de metales de transición semiconductores (S-TMD) como MoS 2 , también se ha observado que ocurre en condiciones atmosféricas y de luz ambiental. [9]
El WS 2 también es atacado por una mezcla de ácido nítrico y fluorhídrico . Cuando se calienta en una atmósfera que contiene oxígeno, el WS 2 se convierte en trióxido de tungsteno . Cuando se calienta en ausencia de oxígeno, el WS 2 no se funde sino que se descompone en tungsteno y azufre, pero solo a 1250 °C. [1]
Históricamente, la monocapa WS 2 se aisló mediante exfoliación química a través de la intercalación con litio a partir de n-butil litio (en hexano), seguida de la exfoliación del compuesto intercalado de Li mediante sonicación en agua. [10] WS 2 también sufre exfoliación mediante tratamiento con varios reactivos como el ácido clorosulfónico [11] y los haluros de litio. [12]
El WS 2 se produce mediante varios métodos. [1] [13] Muchos de estos métodos implican el tratamiento de óxidos con fuentes de sulfuro o hidrosulfuro, suministrados como sulfuro de hidrógeno o generados in situ .
Las técnicas ampliamente utilizadas para el crecimiento de la monocapa WS 2 incluyen la deposición química en fase de vapor (CVD), la deposición física en fase de vapor (PVD) o la deposición química en fase de vapor de compuestos orgánicos metálicos (MOCVD), aunque la mayoría de los métodos actuales producen defectos de vacancia de azufre superiores a 1×10 13 cm −2 . [14] Otras rutas implican la termólisis de sulfuros de tungsteno (VI) (por ejemplo, (R 4 N) 2 WS 4 ) o su equivalente (por ejemplo, WS 3 ). [13]
Las películas WS 2 independientes se pueden producir de la siguiente manera. WS 2 se deposita sobre un sustrato hidrófilo, como zafiro , y luego se recubre con un polímero, como poliestireno . Después de sumergir la muestra en agua durante unos minutos, la película WS 2 hidrófoba se despega espontáneamente. [15]
El WS 2 se utiliza, junto con otros materiales, como catalizador para el hidrotratamiento de petróleo crudo. [13] En los últimos años también ha encontrado aplicaciones como saturable para láseres de fibra bloqueados en modo pasivo, lo que da como resultado la producción de pulsos de femtosegundos.
El disulfuro de tungsteno laminar se utiliza como lubricante seco para sujetadores, cojinetes y moldes, [16] además de tener un uso significativo en las industrias aeroespacial y militar. [17] [ verificación fallida ] El WS 2 se puede aplicar a una superficie metálica sin aglutinantes ni curado, mediante impacto de aire a alta velocidad. La norma oficial más reciente para este proceso se establece en la especificación SAE International AMS2530A. [18]
Al igual que el MoS 2 , el WS 2 nanoestructurado se estudia activamente para aplicaciones potenciales, como el almacenamiento de hidrógeno y litio. [11] El WS 2 también cataliza la hidrogenación del dióxido de carbono : [11] [19] [20]
El disulfuro de tungsteno es el primer material que se descubrió que forma nanotubos sin carbono , en 1992. [6] Esta capacidad está relacionada con la estructura en capas de WS 2 , y se han producido cantidades macroscópicas de WS 2 mediante los métodos mencionados anteriormente. [13] Los nanotubos de WS 2 se han investigado como agentes de refuerzo para mejorar las propiedades mecánicas de los nanocompuestos poliméricos. En un estudio, los nanocompuestos poliméricos biodegradables reforzados con nanotubos de WS 2 de fumarato de polipropileno (PPF) mostraron aumentos significativos en el módulo de Young, la resistencia al rendimiento por compresión, el módulo de flexión y la resistencia al rendimiento por flexión, en comparación con los nanocompuestos de PPF reforzados con nanotubos de carbono de pared simple y múltiple, lo que sugiere que los nanotubos de WS 2 pueden ser mejores agentes de refuerzo que los nanotubos de carbono. [21] La adición de nanotubos de WS 2 a la resina epoxi mejoró la adhesión , la tenacidad a la fractura y la tasa de liberación de energía de deformación. El desgaste del epoxi reforzado con nanotubos es menor que el del epoxi puro. [22] Los nanotubos WS 2 se incrustaron en una matriz de nanofibras de poli(metilmetacrilato) (PMMA) mediante electrohilado. Los nanotubos se dispersaron bien y se alinearon a lo largo del eje de la fibra. La rigidez y tenacidad mejoradas de las mallas de fibra de PMMA mediante la adición de nanotubos sin carbono pueden tener usos potenciales como materiales que absorben impactos, por ejemplo, para chalecos balísticos . [23] [24]
Los nanotubos WS 2 son huecos y se pueden rellenar con otro material para preservarlos o guiarlos a una ubicación deseada, o para generar nuevas propiedades en el material de relleno que está confinado dentro de un diámetro a escala nanométrica. Con este objetivo, se crearon híbridos de nanotubos sin carbono rellenando nanotubos WS 2 con sal fundida de plomo, antimonio o yoduro de bismuto mediante un proceso de humectación capilar, lo que dio como resultado nanotubos de núcleo-capa PbI 2 @WS 2 , SbI 3 @WS 2 o BiI 3 @WS 2. [25]
El WS 2 también puede existir en forma de láminas atómicamente delgadas. [26] Dichos materiales exhiben fotoluminiscencia a temperatura ambiente en el límite de la monocapa. [27]
Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) está investigando el uso de WS
2como material de canal en transistores de efecto de campo . El material de aproximadamente 6 capas de espesor se crea mediante deposición química de vapor (CVD). [28]
