硫化硅的合成与应用

概述

硫化硅是一种常温下表现为白色晶体粉末的无机化合物，也被称作二硫化硅，属于斜方或正方晶体，常温常压下稳定，遇湿则会发生分解，产物为二氧化硅与硫化氢。研究表明，该物质可以用来制取芯片用的高纯硅，大幅简化硅的提纯问题，且由于二硫化硅是一种呈纤维状的聚合物，在新能源电池上也有着广泛的应用^[1]。

合成方法

硫化硅在工业上主要有两种合成路线，一种是先将铝粉与硫磺高温下反应，制得硫化铝，然后将硫化铝与过量的硅砂高温反应，制得硫化硅和氧化铝，然而这一种合成路线较为繁琐，成本较高；另一种是采用硫化氢气体和硅单质在1800℃左右进行反应，制得硫化硅，然而硫化氢气体有剧毒且易燃，安全问题较为严重^[1]。为了解决上述合成工艺存在问题，研究人员对传统工艺做了多种改进，下面介绍两种近些年发展起来的硫化硅合成方法。

方法一

以摩尔比为1:3.0-4.0的硅粉和硫粉为反应原料，将反应原料在温度为725-825℃下使硫转化成硫蒸气，保持在硫蒸气的压力为2.2-3.2MPa的条件下煅烧2h以上。该方法的原料经济安全，制备流程简捷，制备时间短和工艺稳定性高，所得硫化硅粉末具有可控的棒形显微结构，高的相纯度和化学纯度，从而具有很强的产业化应用前景^[2]。

方法二

化工原料合成技术领域还公开了一种硫化硅的双温区气固合成工艺，包括以下步骤：S1，将硫块与硅粉混合后置于合成管中，将合成管中抽至真空度为1100mTorr后密封，其中硫块中硫单质含量≧99.999%，硅粉中硅单质含量≧99.9%。S2，合成管分为高温区和低温区，S1中混合后的硫块和硅粉位于高温区，合成管高温区依次在600-800℃保温1-3h，800-900℃保温1-2h，900-1000℃保温1-3h，1000-1100℃保温1-3h和1100-1200℃保温1-3h，合成管低温区在200-300℃保温，且低温区保温时间与高温区保温时间相同；S3，将S2中加热结束后的合成管冷却至室温，得到产物硫化硅。通过该工艺合成硫化硅，生产过程安全，原料和生产过程均是环保的，且原料的成本低廉易得^[3]。

应用

硫化硅是一种应用范围极广的无机材料，其应用领域涵盖二次离子电池，催化剂，合金技术等多种领域，发展潜力巨大。

二次离子电池技术领域报道了一种碳复合的硫族化合物复合材料，其包括硫族化合物纳米晶和乱层石墨碳，其中硫族化合物纳米晶位于乱层石墨碳的网络化框架结构中，硫族化合物纳米晶的材质包括金属硫族化合物，硫化硅和二硒化硅中的至少一种。制备得到碳复合的硫族化合物复合材料在循环充放电100次以上时，仍然能够保持较高的质量比容量和99%以上的库伦效率，具有优异的循环稳定性和倍率性能^[4]。

催化剂技术领域公开了一种单层二硫化钼催化剂的制备方法，包括以下步骤：将硫化硅，水，表面活性剂，硫化铵和钼前驱体混合，用pH调节剂调节pH为1～2，反应，加入水合肼，回流，洗涤，分离，真空干燥，焙烧，得到黑色固体。将黑色固体与氢氧化钠溶液混合，搅拌处理，洗涤，分离，烘干，还原活化得到单层二硫化钼催化剂。催化材料在300～600℃逆水气变换反应中显示出优异的催化活性以及100%的一氧化碳选择性。此外，上述催化剂合成方法可以实现常压下稳定的单层二硫化钼的制备，且比表面积远高于传统水热法合成的二硫化钼，活性位点暴露量显著提高，在逆水气变换反应中表现出优异的活性及稳定性^[5]。

此外，合金领域一份关于铜合金的报道表明，硫化硅，硫化亚铁，二硫化亚铁，铜，锌，铁，锑，钛等物质按照一定质量分数复配可以得到一种无铅易切削的合金材料，其能够有效地改善合金的加工特性^[6]。

激发特性研究

用密度泛函理论中的B3LYP方法在6-311++G**基组下加入一定大小的电场(0-0.05a.u.)对硫化硅分子进行了结构优化计算，分别计算其基态几何参数，电偶极矩和分子总能量，计算结果表明硫化硅的分子结构受外电场的影响，电偶极矩随电场的增大而增加，分子总能量随外电场的增加而减少。同时在此基础上加入杂化轨道算法，对硫化硅分子的激发能，激发态波长和振子强度进行了计算，得出激发能随外电场的增加而减少，说明其分子在强外场的影响下变得容易分解，而激发态波长从开始在紫外区逐渐平移到紫光区，振子强度也受外电场很大的影响^[7]。

参考文献

[1]吴文斌,舒小敏.一种二硫化硅的双温区气固合成工艺:202110872400[P].

[2]邵刚勤,谢梦祥,张继伟,等.一种二硫化硅及其制备方法:CN202210097096.2[P].

[3]吴文斌,舒小敏.一种二硫化硅的双温区气固合成工艺:202110872400[P].

[4]张隆,刘艳艳.一种碳复合的硫族化合物复合材料及其制备方法和应用:CN201910623741.8[P].

[5]苏雄,郑志远,黄延强,等.一种单层二硫化钼催化剂的制备方法及其制备的催化剂和应用:CN202411825253.2[P].

[6]曾凡跃.一种无铅易切削铜合金及制备方法:CN201611125639.8[P].

[7]蔡成兰,夏福友.外场下硫化硅的激发特性研究[J].科技展望,2014,(11):71-72.