Disolfuro di titanio

Il disolfuro di titanio è un composto inorganico che ha formula TiS2 e poiché lo zolfo è un elemento del gruppo 16 detto anche gruppo dei calcogeni è un dicalcogenuro. Appartiene al gruppo detto dei dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMDs)  in quanto il titanio è uno degli elementi del blocco d.

Il disolfuro di titanio fa parte di un gruppo di materiali che ha attirato l’attenzione nel campo dell’elettronica ed è studiato per il suo utilizzo in dispositivi elettronici e optoelettronici. I calcogenuri dei metalli di transizione mostrano inoltre un potenziale significativo per i dispositivi a batteria ricaricabile grazie alla loro notevole stabilità strutturale e al trasporto rapido degli ioni.

Sebbene il disolfuro di titanio sia un isolante, ma quando è assottigliato fino allo spessore di pochi strati o monostrato, può mostrare un comportamento semiconduttore o metallico, a seconda del numero di strati.

Struttura del disolfuro di titanio

Il disolfuro di titanio, unitamente ai dicalcogenuri dei metalli di transizione viene studiato a causa del suo carattere distintivo derivante dalla sua struttura bidimensionale. Il grafene, come il primo materiale in 2D ha una struttura reticolare a nido d’ape è dotato di straordinarie proprietà elettriche e termiche.

struttura
struttura

Il disolfuro di titanio è un potenziale sostituto del grafene grazie al suo bandgap e utilizzabile in un’ampia gamma di applicazioni come, ad esempio dispositivi di accumulo di energia, dispositivi elettronici e sensori. Un dicalcogenuro dei metalli di transizione è costituito da una struttura a sandwich con uno strato esagonale di atomi metallici legati in modo covalente e due strati di atomi di calcogeno.

Il disolfuro di titanio stratificato adotta una struttura esagonale compattata (hcp)in cui la metà dei fori ottaedrici sono riempiti di Ti4+. Ciascuno ione è circondato da sei ligandi solforati in una struttura ottaedrica. Ogni solfuro è collegato a tre centri Ti4+ e la forma di S è piramidale.

Preparazione

Sono stati sviluppati numerosi metodi per ottenere dicalcogenuri dei metalli di transizione e, nello specifico, il disolfuro di titanio, stratificati in 2D e uno di questi consiste in un processo di esfoliazione a flusso comprimibile (CFE). Attualmente uno dei metodi pilastro per la produzione di nanofogli in 2D è l’esfoliazione in fase liquida (LPE) che prevede l’aggiunta di cristalli stratificati in polvere a solventi appropriati e l’inserimento di energia, spesso mediante ultrasuoni, sebbene sia spesso comunemente utilizzata la miscelazione ad alto taglio.

calcogenuri
calcogenuri

Un altro metodo consiste nella deposizione chimica da vapore (CVD), processo mediante il quali un materiale solido viene depositato da un vapore tramite una reazione chimica che avviene su o in prossimità di una superficie di substrato normalmente riscaldata.

Recentemente sono stati adottati metodi di intercalazione elettrochimica per ottimizzare le proprietà elettroniche dei solidi stratificati intercalando in modo controllabile gli ioni di litio in una serie di eterostrutture e ottenere un monostrato di disolfuro metallico.

Le proprietà elettroniche, ottiche, strutturali e di trasporto, insieme alla corrispondente ampia superficie hanno permesso di risultare promettenti candidati non solo nel campo dell’optoelettronica, ma anche nel recupero di energia che include conversione dell’energia, stoccaggio e catalisi

Proprietà del disolfuro di titanio

Il disolfuro di titanio si presenta come una polvere gialla o grigia con un odore sgradevole che viene utilizzato come lubrificante solido  grazie alla sua struttura a strati. Le deboli forze interstrato consentono agli strati di scivolare facilmente l’uno sull’altro, riducendo l’attrito tra le superfici. Inoltre è stato studiato per le sue potenziali applicazioni nella tecnologia delle batterie, in particolare nelle batterie ricaricabili.

batteria
batteria

Le sue proprietà lo rendono adatto all’uso come materiale per elettrodi in vari dispositivi di accumulo di energia come le batterie ricaricabili come quelle le batterie a ioni di litio. Come materiale per elettrodi, può subire processi reversibili di intercalazione e deintercalazione del litio durante i cicli di carica e scarica., fondamentali per il funzionamento delle batterie ricaricabili.

Il  disolfuro di titanio ha una elevata densità di energia importante per migliorare la capacità di accumulo energetico delle batterie, rendendole potenzialmente più efficienti e durevoli. La prima batteria a ioni litio fu proposta dallo scienziato britannico Stanley Whittingham nel 1977 che, insieme John Goodenough e Akira Yoshinoa vinse il premio Nobel per la chimica nel 2019, il quale propose una batteria costituita da un anodo di litio, un separatore e un catodo fatto di disolfuro di titanio.

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