Дисульфид молибдена¶

Дисульфид молибдена — это неорганическое химическое соединение молибдена и серы с формулой MoS₂. В природе встречается в виде минерала молибденита, являющегося основной рудой для получения молибдена. Представляет собой твёрдое кристаллическое вещество тёмно-серого цвета с характерным металлическим блеском, обладающее уникальными смазочными, каталитическими и полупроводниковыми свойствами.

¶История открытия и изучения

Минерал молибденит был известен ещё в древности, однако долгое время его путали с графитом и свинцовым блеском (галенитом) из-за внешнего сходства. В 1778 году шведский химик Карл Вильгельм Шееле провёл серию опытов и установил, что этот минерал содержит новый элемент — молибден. Само соединение MoS₂ было впервые описано и охарактеризовано в XIX веке.

Систематическое изучение смазочных свойств дисульфида молибдена началось в 1940-х годах в США в рамках работ по созданию высокотемпературных смазок для авиационной и ракетной техники. В 1950-х годах были разработаны первые промышленные технологии получения тонкодисперсного MoS₂ и его нанесения на поверхности трения. В 1960-х годах началось использование MoS₂ в качестве катализатора гидроочистки нефти.

В 2000-х годах интерес к дисульфиду молибдена возобновился в связи с открытием его графеноподобных свойств: тонкие слои MoS₂ (толщиной в один атом) проявляют свойства прямозонного полупроводника, что открывает перспективы для наноэлектроники, фотоники и создания гибких электронных устройств.

¶Физические и химические свойства

¶Кристаллическая структура

Дисульфид молибдена кристаллизуется в гексагональной сингонии (пространственная группа P6₃/mmc). Его структура имеет слоистый характер: каждый слой состоит из трёх атомных плоскостей — атом молибдена находится между двумя слоями атомов серы, образуя «сэндвич» S-Mo-S. Связи внутри слоя ковалентные (прочные), а между слоями действуют слабые вандерваальсовы силы. Это обеспечивает лёгкое скольжение слоёв друг относительно друга, что и обуславливает низкий коэффициент трения.

¶Физические свойства

Молекулярная масса: 160,07 г/моль.
Плотность: 4,8–5,0 г/см³.
Температура плавления: 1185 °C (разлагается).
Твёрдость по Моосу: 1,0–1,5 (очень мягкий, как графит).
Цвет: тёмно-серый до чёрного, с металлическим блеском.
Коэффициент трения: 0,03–0,15 (в вакууме и сухой атмосфере — один из самых низких среди твёрдых смазок).
Электропроводность: полупроводник (ширина запрещённой зоны ~1,2–1,8 эВ в объёмном состоянии, ~1,8–2,0 эВ в монослое).

¶Химические свойства

Растворимость: нерастворим в воде, разбавленных кислотах и щелочах. Растворяется в горячей концентрированной серной и азотной кислотах, а также в царской водке.
Окисление: на воздухе начинает окисляться при температуре выше 350–400 °C с образованием оксида молибдена(VI) (MoO₃) и диоксида серы (SO₂).
Реакция с водородом: при нагревании до 800–1000 °C восстанавливается до металлического молибдена и сероводорода.
Взаимодействие с галогенами: реагирует с хлором и фтором при нагревании.

¶Получение

¶Природный источник

Основным источником дисульфида молибдена является минерал молибденит. Крупнейшие месторождения молибденита находятся в Китае, США (штат Колорадо), Чили, Перу, Канаде и России (Забайкальский край, Хакасия, Якутия). Руду обогащают флотацией, получая концентрат с содержанием MoS₂ до 90–95 %.

¶Синтетическое получение

В промышленности дисульфид молибдена получают несколькими методами:

Прямой синтез из элементов: нагревание порошков молибдена и серы в инертной атмосфере при 800–1000 °C.
Гидротермальный синтез: взаимодействие растворимых солей молибдена (например, молибдата аммония) с серосодержащими реагентами (тиомочевина, сульфид натрия) в автоклаве при 150–250 °C.
Химическое осаждение из газовой фазы (CVD): разложение летучих соединений молибдена (Mo(CO)₆, MoCl₅) в присутствии сероводорода или серы.
Механохимический синтез: обработка смеси молибдена и серы в высокоэнергетических шаровых мельницах.

¶Применение

¶Твёрдая смазка

Дисульфид молибдена является одним из наиболее эффективных твёрдых смазочных материалов. Его применяют:

В вакуумной технике и космической отрасли: смазка подшипников, шестерён, скользящих контактов в условиях вакуума, где обычные масла испаряются.
В высокотемпературных узлах трения: смазка деталей двигателей, компрессоров, турбин, работающих при температурах до 350–400 °C.
В автомобильной промышленности: добавка к моторным и трансмиссионным маслам для снижения трения и износа, особенно в условиях высоких нагрузок.
В бытовой технике: смазка замков, петель, направляющих, велосипедных цепей.
В пресс-формах и штампах: для облегчения извлечения деталей и снижения износа инструмента.

Формы применения: порошок, аэрозольные составы, суспензии в маслах или растворителях, композиционные покрытия (наносятся напылением, кистью или окунанием).

¶Катализатор

Дисульфид молибдена является важным компонентом катализаторов гидроочистки нефти. В комбинации с кобальтом или никелем (CoMoS, NiMoS) он используется для удаления серы, азота и кислорода из нефтяных фракций (гидродесульфуризация, гидроденитрогенизация). Катализаторы на основе MoS₂ также применяются в процессах гидрокрекинга и гидроочистки масел.

¶Наноэлектроника и фотоника

Монослойные и многослойные плёнки дисульфида молибдена являются перспективными материалами для:

Полевых транзисторов: MoS₂ обладает высокой подвижностью носителей заряда и хорошим соотношением токов включения/выключения.
Фотодетекторов: материал чувствителен к видимому и ближнему инфракрасному излучению.
Гибкой электроники: тонкие плёнки MoS₂ можно наносить на гибкие подложки (полимеры, бумагу).
Светодиодов и лазеров: монослой MoS₂ является прямозонным полупроводником, что позволяет использовать его для излучательных устройств.
Сенсоров: высокая чувствительность к изменению электрического поля и адсорбции молекул.

¶Другие применения

Пигмент: используется в составе красок для металлических поверхностей (придаёт серый оттенок и антикоррозионные свойства).
Электродные материалы: в литий-ионных и натрий-ионных аккумуляторах, суперконденсаторах.
Термоэлектрические преобразователи: MoS₂ проявляет термоэлектрические свойства, что может быть использовано для преобразования тепла в электричество.
Трибология: добавка к полимерным композитам (полиамид, политетрафторэтилен) для снижения износа и трения.

¶Безопасность и экология

Дисульфид молибдена в твёрдом виде считается малоопасным веществом (4-й класс опасности). При работе с порошком возможно раздражение дыхательных путей и кожи. При нагревании выше 350 °C выделяются токсичные газы (SO₂, MoO₃). В организм человека MoS₂ может попадать через дыхательные пути при вдыхании пыли. В больших дозах соединения молибдена могут вызывать поражение печени и почек.

При утилизации отходов, содержащих MoS₂, необходимо учитывать возможность окисления с образованием растворимых соединений молибдена, которые могут загрязнять почву и водоёмы. Предельно допустимая концентрация (ПДК) молибдена в воздухе рабочей зоны в России составляет 0,5 мг/м³ (в пересчёте на Mo).

¶Интересные факты

Дисульфид молидена является одним из немногих материалов, которые сохраняют смазочные свойства в вакууме и при криогенных температурах (до -180 °C).
Монослойный MoS₂ толщиной 0,65 нм поглощает до 10 % падающего света, что в 20–50 раз больше, чем графен.
В 2021 году учёные из России (Сколковский институт науки и технологий) разработали метод получения гибких прозрачных электродов на основе MoS₂ для солнечных батарей.
Минерал молибденит часто образует крупные пластинчатые кристаллы, которые могут достигать нескольких сантиметров в поперечнике.

¶Источники

Химическая энциклопедия: в 5 т. / Редкол.: Кнунянц И. Л. (гл. ред.) и др. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 2.
Greenwood N. N., Earnshaw A. Chemistry of the Elements. — 2nd ed. — Oxford: Butterworth-Heinemann, 1997.
Свойства и применение дисульфида молибдена / Под ред. В. Н. Анциферова. — М.: Металлургия, 1975.
Wang Q. H., Kalantar-Zadeh K., Kis A. et al. Electronics and optoelectronics of two-dimensional transition metal dichalcogenides // Nature Nanotechnology. — 2012. — Vol. 7. — P. 699–712.
Материалы для триботехники: справочник / Под ред. В. В. Козлова. — М.: Машиностроение, 2004.
Патент РФ № 2756782 «Способ получения дисульфида молибдена для катализаторов гидроочистки» (2021).

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →