El disulfuro de tungsteno es un compuesto químico inorgánico compuesto de tungsteno y azufre con la fórmula química WS 2 . Este compuesto forma parte del grupo de materiales denominados dicalcogenuros de metales de transición . Se produce naturalmente como el raro mineral tungstenita . Este material es un componente de ciertos catalizadores utilizados para la hidrodesulfuración y la hidrodesnitrificación .
WS 2 adopta una estructura en capas similar, o isotípica, a MoS 2 , en lugar de átomos de W situados en una esfera de coordinación prismática trigonal (en lugar de átomos de Mo). Debido a esta estructura en capas, WS 2 forma nanotubos sin carbono , que se descubrieron después de calentar una fina muestra de WS 2 en 1992. [6]
Bulk WS 2 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 WS 2 es relativamente estable en el aire ambiente, informes recientes sobre la oxidación en aire ambiente de la monocapa WS 2 han encontrado que este no es el caso. En la forma monocapa, WS 2 se convierte con bastante rapidez (en el transcurso de días en la luz ambiental y la atmósfera) en óxido de tungsteno mediante 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 oxígeno y agua para llevarse a cabo, y se cree que el agua actúa como catalizador para la oxidación. Los productos de la reacción probablemente incluyan varias especies de óxido de tungsteno y ácido sulfúrico . De manera similar, se ha observado que la oxidación de otros dicalcogenuros de metales de transición semiconductores (S-TMD), como MoS 2 , ocurre en condiciones atmosféricas y de luz ambiental. [9]
WS 2 también es atacado por una mezcla de ácido nítrico y fluorhídrico . Cuando se calienta en una atmósfera que contiene oxígeno, 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 sólo a 1250 °C. [1]
Históricamente, la monocapa WS 2 se aislaba mediante exfoliación química mediante intercalación con litio de n-butil litio (en hexano), seguida de la exfoliación del compuesto intercalado de Li mediante sonicación en agua. [10] WS 2 también se somete a exfoliación mediante tratamiento con varios reactivos como el ácido clorosulfónico [11] y los haluros de litio. [12]
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 monocapa WS 2 incluyen la deposición química de vapor (CVD), la deposición física de vapor (PVD) o la deposición química de vapor metal-orgánico (MOCVD), aunque la mayoría de los métodos actuales producen defectos de vacantes 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 independientes WS 2 se pueden producir de la siguiente manera. El WS 2 se deposita sobre un sustrato hidrófilo, como el zafiro , y luego se recubre con un polímero, como el poliestireno . Después de sumergir la muestra en agua durante unos minutos, la película hidrofóbica WS 2 se desprende espontáneamente. [15]
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 importante en las industrias aeroespacial y militar. [17] [ verificación fallida ] WS 2 se puede aplicar a una superficie metálica sin aglutinantes ni curado, mediante impacto de aire a alta velocidad. El estándar 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 posibles aplicaciones, como el almacenamiento de hidrógeno y litio. [11] WS 2 también cataliza la hidrogenación de 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 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 WS 2 de fumarato de polipropileno (PPF) mostraron aumentos significativos en el módulo de Young, el límite elástico de compresión, el módulo de flexión y el límite elástico de flexión, en comparación con los nanocompuestos de PPF reforzados con nanotubos de carbono de pared simple y múltiple. lo que sugiere que los nanotubos WS 2 pueden ser mejores agentes de refuerzo que los nanotubos de carbono. [21] La adición de nanotubos 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 (metacrilato de metilo) (PMMA) mediante electrohilado. Los nanotubos estaban bien dispersos y alineados a lo largo del eje de la fibra. La mayor rigidez y tenacidad de las mallas de fibra de PMMA mediante la adición de nanotubos sin carbono puede tener usos potenciales como materiales de absorción de impactos, por ejemplo, para chalecos balísticos . [23] [24]
Los nanotubos WS 2 son huecos y pueden rellenarse con otro material, para preservarlo o guiarlo a una ubicación deseada, o para generar nuevas propiedades en el material de relleno que está confinado dentro de un diámetro de escala nanométrica. Para este objetivo, se fabricaron híbridos de nanotubos sin carbono llenando nanotubos WS 2 con sal fundida de plomo, antimonio o yoduro de bismuto mediante un proceso de humectación capilar, lo que dio como resultado PbI 2 @WS 2 , SbI 3 @WS 2 o BiI 3 @WS 2. Nanotubos núcleo-cubierta. [25]
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]
