CN110980815A

CN110980815A - 一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法

Info

Publication number: CN110980815A
Application number: CN201911247707.1A
Authority: CN
Inventors: 贾晓鹏; 王遥; 马红安
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2019-12-09
Filing date: 2019-12-09
Publication date: 2020-04-10

Abstract

本发明的一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法属于功能材料制备的技术领域，主要步骤有：将硫化亚铁和硫粉均匀混合得到混合物；将混合物粉压成型制备成块体；将粉压成型的块体置于高于一个大气压的高压下，保持高于300℃的高温进行反应，得到黄铁矿型二硫化铁。本发明反应原料易获得且价格低廉，并且直接选用硫化亚铁为原料，简化了反应的过程，反应原料与产物均为固态，中间产物不会排放到环境中，反应体系抗干扰能力强，反应条件宽泛易控制。

Description

一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法

技术领域

本发明属于功能材料制备的技术领域，具体涉及一种黄铁矿型二硫化铁的高温高压制备方法。

背景技术

随着科技的发展，人类对不可再生资源的大量攫取导致能源与环境已经成为人类发展中的一个重大问题。在这种严峻的形势下人类已经开始自发的追求高效且清洁的能源，而优质的能源材料是实现这些追求必不可少的因素。因此，对能源材料的开发和利用成为了一个越来越热门的话题。

黄铁矿型二硫化铁是一种具有独特性质的功能材料，其在能源与清洁领域都有十分广泛的应用。首先其具有极高的光吸收系数，是一种理想的太阳能吸收材料，在光电领域有着广泛的应用。同时黄铁矿型二硫化铁还是一种理想的正极材料，在锂电池领域，黄铁矿型二硫化铁电极的使用可以使电池具有工作温度范围宽、内阻小、不易失控和短路等优点。在环境方面，二硫化铁不仅可以用于对碱性土壤的改良，而且，由于其具有对重金属离子强烈的吸附性，被广泛的应用于净化被重金属污染的水体，和回收固体废弃物中的有色金属。

目前，获取二硫化铁材料的手段主要分为开采与制备。自然界中广泛分布着二硫化铁矿物，但由于这些矿物成分比较复杂，含有诸多杂质，不能满足各领域对性质稳定的黄铁矿的需求。因此，在利用天然黄铁矿之前必须对原矿进行提纯。提纯的手段主要为浮选和强磁选，这类手段不仅成本高，前期投入大，浮选剂具有污染性，并且提纯往往不彻底，会含有许多非硫铁杂质。

人工制备黄铁矿型二硫化铁的手段发展至今已是种类繁多。比如热液法、气相合成法、热化学合成法。其中热液法合成黄铁矿型二硫化铁，需要在溶液中进行，对合成体系的气压与温度都有着严格的要求，反应速度也相对较慢，反应往往要数日甚至数十日的持续过程，并伴随着磁黄铁矿和氧化铁等副产物。这种手段往往只适用于合成少量微粒。气象合成法则需要保证良好的真空条件，工艺控制需要相当高的精度，合成速度也较慢，往往只适用于单晶或薄膜的少量合成，难以满足大量合成的需要。而热化学合成法采用铁或硫化亚铁直接与硫在加热条件下反应的手段，这种手段合成量大，原料易获得，但仍需要密闭的条件。另外，由于硫在铁的硫化物中扩散困难，反应需要维持极长的时间，热硫化法的产物往往含有大量硫化程度不足的其他杂质，这就使得反应产物的品质严重降低。

综上，由于人工制备大量黄铁矿型二硫化铁的现有技术存在着诸多缺陷，无法满足诸多领域对黄铁矿型二硫化铁的需求。因此，如何迅速且廉价的获取大量纯净的黄铁矿型二硫化铁，无论在能源还是在环境领域都有着重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服背景技术存在的不足，提供一种高压下直接热硫化制备黄铁矿型二硫化铁的方法，反应条件温和且容易控制，制备原料易获取且价格低廉，不引入铁硫以外的杂质，不易污染环境，合成效率高，产物纯度高。

为了达到上述目的，本发明采取如下技术方案：

一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法，有以下步骤：

1)将硫化亚铁和硫粉均匀混合，硫粉的摩尔量大于硫化亚铁的摩尔量；

2)将混合物粉压成型制备成块体；

3)将粉压成型的块体置于大于一个大气压的高压下，保持高于300℃的高温进行反应，得到黄铁矿型二硫化铁。

本发明的一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法中，硫化亚铁和硫粉的摩尔比优选1:2～4；步骤3)中的反应压力优选1～5GPa，反应温度优选550～650℃。

本发明具有如下有益效果：

1、反应原料易得且价格低廉，直接选用硫化亚铁，简化了化学反应的过程。

2、硫化亚铁与硫的充分混合，解决了硫在硫化亚铁中扩散困难的问题。

3、利用高压手段，加剧了反应速度，使二硫化铁得以迅速制备。

4、高压合成条件保证了合成的黄铁矿型二硫化铁相的单一性。

5、高压条件自带密封条件，反应原料与产物均为固态，中间产物不会排放到环境中。

6、合成不涉及气相反应，反应体系抗干扰能力强，反应条件宽泛易控制。

附图说明：

图1为实施例1、2、3所使用的含铁杂质的硫化亚铁原料的XRD图。

图2为实施例1合成的二硫化铁样品的XRD图。

图3为实施例2合成的二硫化铁样品的XRD图。

图4为实施例3合成的二硫化铁样品的XRD图。

具体实施方式

实施例1

原料选用铁的硫化物硫化亚铁和硫粉，将二者按1:4的摩尔比混合。其中铁的硫化物硫化亚铁未经提纯，XRD谱图如图1所示。将混合样品粉压成块体。将粉压得到的块体以叶腊石为外部传压介质，金属氧化物陶瓷为内部传压介质，石墨管作为发热体，组装成合成组装。利用六面顶压机对合成组装提供压力和温度。保证合成组装内的反应物在1GPa的高压下，保持550℃的高温反应2h。反应后的产物的X射线衍射谱图如图2所示，由图可见合成的产物为纯相黄铁矿型二硫化铁。

实施例2

原料同实施例1，将原料摩尔比调整为1:3进行混合，将混合样品粉压成块体。将粉压得到的块体以叶腊石为外部传压介质，金属氧化物陶瓷为内部传压介质，石墨管作为发热体，组装成合成组装。利用六面顶压机对合成组装提供压力和温度。保证合成组装内的反应物在2GPa的高压下，保持600℃的高温反应1.5h。反应后的产物经XRD分析可知为黄铁矿型二硫化铁，如图3所示。

实施例3

原料同实施例1，将原料摩尔比调整为1:2进行混合，将混合样品粉压成块体。将粉压得到的块体以叶腊石为外部传压介质，金属氧化物陶瓷为内部传压介质，石墨管作为发热体，组装成合成组装。利用六面顶压机对合成组装提供压力和温度。保证合成组装内的反应物在5GPa的高压下，保持650℃的高温反应2.5h。反应后的产物经XRD分析可知为黄铁矿型二硫化铁，如图4所示。

由以上实施例可以看出，本发明具有原料易获得，且无需提纯，成本低，反应时间短，产物纯度高，反应条件宽泛易控制的特点。

Claims

1.一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法，有以下步骤：

2)将混合物粉压成型制备成块体；

3)将粉压成型的块体置于大于一个大气压的高压下，保持高于300℃的高温进行硫化，得到黄铁矿型二硫化铁。

2.根据权利要求1所述的一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法，其特征在于，硫化亚铁和硫粉的摩尔比为1:2～4。

3.根据权利要求1所述的一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法，其特征在于，步骤3)中的反应压力为1～5GPa。

4.根据权利要求1所述的一种高温高压一步化学法制备黄铁矿型二硫化铁的方法，其特征在于，步骤3)中反应温度为550～650℃。