टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड

टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड एक अकार्बनिक यौगिक है जिसका सूत्र TiS2 है। उच्च विद्युत चालकता वाला एक सुनहरा पीला ठोस, यह संक्रमण धातु डाइक्लोजेनाइड्स नामक यौगिकों के एक समूह से संबंधित है, जिसमें स्टोइकोमेट्री ME2 सम्मलित है। TiS2 को रिचार्जेबल बैटरीज़ में कैथोड सामग्री के रूप में नियोजित किया गया है।

संरचना
एक स्तरित सामग्री के साथ, TiS2 कैडमियम आयोडाइड (CdI) के अनुरूप एक हेक्सागोनल क्लोज पैक्ड (HCP) संरचना को अपनाता है2). इस रूपांकन में, अष्टफलकीय छिद्रों का आधा भाग धनायन से भरा होता है, इस मामले में Ti4+. प्रत्येक Ti केंद्र एक ऑक्टाहेड्रल संरचना में छह सल्फाइड लिगेंड से घिरा हुआ है। प्रत्येक सल्फाइड तीन Ti केंद्रों से जुड़ा है, S पर ज्यामिति पिरामिडनुमा है। कई धातु डाइक्लोजेनाइड्स समान संरचनाओं को अपनाते हैं, लेकिन कुछ, विशेष रूप से एमओएस2, ऐसा न करें। TiS की परतें2 सहसंयोजक Ti-S बांड से मिलकर बनता है। TiS की अलग-अलग परतें2 वैन डेर वाल्स बलों द्वारा एक साथ बंधे हुए हैं, जो अपेक्षाकृत कमजोर अंतर-आणविक बल हैं। यह अंतरिक्ष समूह P में क्रिस्टलीकृत होता है3}एम 1।  Ti-S बांड की लंबाई 2.423 Å है।



इंटरकलेशन
टीआईएस की सबसे उपयोगी और सबसे अधिक अध्ययन की गई संपत्ति2 इलेक्ट्रोपोसिटिव तत्वों के साथ उपचार पर अंतर्संबंध से गुजरने की इसकी क्षमता है। प्रक्रिया एक रेडॉक्स प्रतिक्रिया है, जो लिथियम के मामले में सचित्र है:
 * टीआईएस2 + वह → LiTiS2

LiTiS2 आमतौर पर ली के रूप में वर्णित किया जाता है+[तीस2 -]। इंटरकेलेशन और डिइंटरकलेशन के दौरान, सामान्य सूत्र ली के साथ स्टोइचिमेट्री की एक श्रृंखला का उत्पादन किया जाता हैxटीआई2 (एक्स <1)। इंटरकलेशन के दौरान, इंटरलेयर स्पेसिंग फैलता है (जाली सूज जाती है) और सामग्री की विद्युत चालकता बढ़ जाती है। इंटरकलेशन की सुविधा इंटरलेयर बलों की कमजोरी के साथ-साथ Ti (IV) केंद्रों की कमी की ओर संवेदनशीलता के कारण होती है। डाइसल्फ़ाइड सामग्री के निलंबन और निर्जल अमोनिया में क्षार धातु के घोल को मिलाकर इंटरकैलेशन किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से ठोस टीआईएस2 गर्म करने पर क्षार धातु के साथ प्रतिक्रिया करता है।

कठोर-बैंड मॉडल (आरबीएम), जो मानता है कि इलेक्ट्रॉनिक बैंड संरचना इंटरकलेशन के साथ नहीं बदलती है, इंटरकलेशन पर इलेक्ट्रॉनिक गुणों में बदलाव का वर्णन करती है।

डीइंटरकलेशन इंटरकलेशन के विपरीत है; परतों के बीच से धनायन विसरित होते हैं। यह प्रक्रिया Li/TiS को रिचार्ज करने से जुड़ी है2 बैटरी। इंटरकैलेशन और डिइंटरकलेशन की निगरानी चक्रीय वोल्टामीटर द्वारा की जा सकती है। टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड की सूक्ष्म संरचना इंटरकलेशन और डीइंटरकलेशन कैनेटीक्स (रसायन विज्ञान) को बहुत प्रभावित करती है। टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड नैनोट्यूब में पॉलीक्रिस्टलाइन संरचना की तुलना में अधिक तेज और निर्वहन क्षमता होती है। पॉलीक्रिस्टलाइन संरचना की तुलना में एनोड आयनों के लिए अधिक बाध्यकारी साइट प्रदान करने के लिए नैनोट्यूब के उच्च सतह क्षेत्र को पोस्ट किया गया है।

भौतिक गुण
औपचारिक रूप से युक्त डी0 आयन तिवारी 4+ और बंद खोल डायनियन एस2−, TiS2 अनिवार्य रूप से प्रतिचुंबकीय है। इसकी चुंबकीय संवेदनशीलता 9 x 10 है−6 एमु/मोल, मान स्टोइकोमेट्री के प्रति संवेदनशील है। टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड एक अर्द्ध धातु  है, जिसका अर्थ है कि चालन बैंड और संयोजी बंध का छोटा ओवरलैप है।

उच्च दबाव गुण
कमरे के तापमान पर उच्च दबाव सिंक्रोटॉन  एक्स-रे विवर्तन (XRD) द्वारा टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड पाउडर के गुणों का अध्ययन किया गया है। परिवेश के दबाव में, TiS2 अर्धचालक के रूप में व्यवहार करता है जबकि 8 जीपीए के उच्च दबाव पर सामग्री सेमीमेटल के रूप में व्यवहार करती है। 15 जीपीए पर, परिवहन गुण बदलते हैं। 20 GPa तक Fermi स्तर पर राज्यों के घनत्व में कोई महत्वपूर्ण परिवर्तन नहीं हुआ है और चरण परिवर्तन 20.7 GPa तक नहीं होता है। टीआईएस की संरचना में बदलाव2 26.3 जीपीए के दबाव में देखा गया था, हालांकि उच्च दबाव चरण की नई संरचना निर्धारित नहीं की गई है।

टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड की यूनिट सेल 5.695 एंगस्ट्रॉम द्वारा 3.407 है। यूनिट सेल का आकार 17.8 जीपीए घट गया। एमओएस लिए यूनिट सेल आकार में कमी देखी गई थी2 और डब्ल्यू.एस2, यह दर्शाता है कि टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड नरम और अधिक संकुचित है। टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड का संपीड़न व्यवहार एनिस्ट्रोपिक है। S-Ti-S परतों (c-अक्ष) के समानांतर अक्ष S-Ti-S परतों (a-अक्ष) के लम्बवत् अक्ष की तुलना में अधिक संकुचित होता है क्योंकि S और Ti परमाणुओं को एक साथ रखने वाले कमजोर वैन डेर वाल्स बल होते हैं। 17.8 जीपीए पर, सी-अक्ष 9.5% से संकुचित होता है और ए-अक्ष 4% से संकुचित होता है। S-Ti-S परतों के समानांतर समतल में अनुदैर्ध्य ध्वनि वेग 5284 m/s है। परतों के लंबवत अनुदैर्ध्य ध्वनि वेग 4383 मी/से है।

संश्लेषण
टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड लगभग 500 डिग्री सेल्सियस के तत्वों की प्रतिक्रिया से तैयार होता है।
 * Ti + 2 S → TiS2

इसे टाइटेनियम टेट्राक्लोराइड से अधिक आसानी से संश्लेषित किया जा सकता है, लेकिन यह उत्पाद आमतौर पर तत्वों से प्राप्त उत्पाद की तुलना में कम शुद्ध होता है। : TiCl4 + 2 एच2एस → टीआईएस2 + 4 एचसीएल टीआईएस के गठन के लिए इस मार्ग को लागू किया गया है2 रासायनिक वाष्प जमाव द्वारा फिल्में। हाइड्रोजन सल्फाइड के स्थान पर थिओल्स और कार्बनिक डाइसल्फ़ाइड्स को नियोजित किया जा सकता है। कई अन्य टाइटेनियम सल्फाइड ज्ञात हैं।

TiS के रासायनिक गुण2
टीआईएस के नमूने2 हवा में अस्थिर हैं। गर्म करने पर, ठोस  रंजातु डाइऑक्साइड  के ऑक्सीकरण से गुजरता है:
 * टीआईएस2 + ओ2 → टीआईओ2 + 2एस

टीआई2 पानी के प्रति भी संवेदनशील है:
 * टीआईएस2 + एह2ओ → टीआईओ2 + 2 एच2एस

गर्म करने पर, TiS2 टाइटेनियम (III) व्युत्पन्न बनाने के लिए सल्फर जारी करता है:
 * 2 टीआईएस2 → हाँ2S3 + एस

सोल-जेल संश्लेषण
टीआईएस की पतली फिल्में2 टाइटेनियम आइसोप्रोपॉक्साइड (Ti(OPr.) से SOL-जेल  प्रक्रिया द्वारा तैयार किया गया हैमैं)4) स्पिन कोटिंग के बाद। यह विधि अनाकार सामग्री की पुष्टि करती है जो उच्च तापमान पर हेक्सागोनल टीआईएस में क्रिस्टलीकृत होती है2, [001], [100], और [001] दिशाओं में कौन सा क्रिस्टलीकरण अभिविन्यास। उनके उच्च सतह क्षेत्र के कारण, ऐसी फिल्में बैटरी अनुप्रयोगों के लिए आकर्षक होती हैं।

TiS के असामान्य रूप2
अधिक विशिष्ट आकृति गैर कार्बन नैनोट्यूब, नैनोकण, मूंछ, नैनोडिस्क, पतली फिल्म, फुलरीन-मानक अभिकर्मकों, अक्सर TiCl के संयोजन से तैयार किए जाते हैं।4 असामान्य तरीके से। उदाहरण के लिए, टाइटेनियम टेट्राक्लोराइड के साथ 1-ऑक्टाडेसीन में सल्फर के घोल का उपचार करके फूल जैसी आकारिकी प्राप्त की गई।

फुलरीन जैसी सामग्री
टीआईएस का एक रूप2 TiCl का उपयोग करके फुलरीन जैसी संरचना तैयार की गई है4/एच2एस विधि। परिणामी गोलाकार संरचनाओं का व्यास 30 और 80 एनएम के बीच होता है। अपने गोलाकार आकार के कारण, ये फुलरीन कम घर्षण गुणांक और घिसाव प्रदर्शित करते हैं, जो विभिन्न अनुप्रयोगों में उपयोगी साबित हो सकता है।

नैनोट्यूब
TiS के नैनोट्यूब2 TiCl की भिन्नता का उपयोग करके संश्लेषित किया जा सकता है4/एच2एस मार्ग। ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (टीईएम) के अनुसार, इन ट्यूबों का बाहरी व्यास 20 एनएम और आंतरिक व्यास 10 एनएम है। नैनोट्यूब की औसत लंबाई 2-5 माइक्रोमीटर थी और नैनोट्यूब खोखले साबित हुए थे। टीआई2 ओपन एंड टिप वाले नैनोट्यूब में 25 °C और 4 MPa हाइड्रोजन गैस के दबाव पर 2.5 वज़न प्रतिशत तक हाइड्रोजन स्टोर करने की सूचना है। अवशोषण और विशोषण दर तेज है, जो हाइड्रोजन भंडारण के लिए एक आकर्षक है। हाइड्रोजन परमाणुओं को सल्फर से बाँधने के लिए पोस्ट किया गया है।

नैनोक्लस्टर और नैनोडिस्क
TiS के नैनोक्लस्टर, या क्वांटम डॉट्स2 क्वांटम परिरोध और बहुत बड़ी सतह से आयतन अनुपात के कारण विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक और रासायनिक गुण हैं। नैनोक्लस्टर्स को मिसेल का उपयोग करके संश्लेषित किया जा सकता है। TiCl के घोल से नैनोक्लस्टर तैयार किए जाते हैं4 ट्राइडोडेसिलमिथाइल अमोनियम आयोडाइड (TDAI) में, जो प्रतिलोम मिसेल संरचना के रूप में कार्य करता है और नैनोट्यूब के समान सामान्य प्रतिक्रिया में नैनोक्लस्टर्स के विकास का बीजारोपण करता है। निरंतर माध्यम में आवेशित प्रजातियों की अघुलनशीलता के कारण न्यूक्लिएशन केवल मिसेल पिंजरे के अंदर होता है, जो आमतौर पर एक कम ढांकता हुआ स्थिर अक्रिय तेल होता है। थोक सामग्री की तरह, TiS का नैनोक्लस्टर-रूप2 एक हेक्सागोनल स्तरित संरचना है।. क्वांटम कारावास अच्छी तरह से अलग इलेक्ट्रॉनिक राज्यों का निर्माण करता है और बल्क सामग्री की तुलना में ऊर्जा अंतराल को 1 eV से अधिक बढ़ा देता है। एक स्पेक्ट्रोस्कोपिक तुलना 0.85 ईवी के क्वांटम डॉट्स के लिए एक बड़ा नीले रंग की पारी  दिखाती है।

TiS के नैनोडिस्क2 TiCl के उपचार से उत्पन्न होती है4 oleylamine में सल्फर के साथ।

अनुप्रयोग

 * Battery TiS2.pngरिचार्जेबल बैटरी में कैथोड सामग्री के रूप में टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड का वादा 1973 में एम. स्टेनली व्हिटिंगम द्वारा वर्णित किया गया था। समूह IV और V डाइक्लोजेनाइड्स ने अपनी उच्च विद्युत चालकता के लिए ध्यान आकर्षित किया। मूल रूप से वर्णित बैटरी में लिथियम एनोड और टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड कैथोड का उपयोग किया गया था। इस बैटरी में उच्च ऊर्जा घनत्व था और टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड कैथोड में लिथियम आयनों का प्रसार प्रतिवर्ती था, जिससे बैटरी रिचार्जेबल हो गई। टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड को इसलिए चुना गया क्योंकि यह सबसे हल्का और सबसे सस्ता चाकोजेनाइड है। टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड में क्रिस्टल जाली में लिथियम आयन प्रसार की सबसे तेज़ दर भी होती है। कई पुनर्चक्रण के बाद मुख्य समस्या कैथोड का क्षरण था। यह प्रतिवर्ती अंतराल प्रक्रिया बैटरी को रिचार्जेबल होने की अनुमति देती है। इसके अतिरिक्त, टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड सभी समूह IV और V स्तरित डाइक्लोजेनाइड्स का सबसे हल्का और सबसे सस्ता है। 1990 के दशक में, अधिकांश रिचार्जेबल बैटरी में टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड को अन्य कैथोड सामग्री (मैंगनीज और कोबाल्ट ऑक्साइड) द्वारा बदल दिया गया था।

टीआईएस का उपयोग2 ठोस-राज्य लिथियम बैटरी में उपयोग के लिए कैथोड रुचि के बने हुए हैं, उदाहरण के लिए, हाइब्रिड इलेक्ट्रिक वाहनों और प्लग-इन इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए।

ऑल-सॉलिड स्टेट बैटरियों के विपरीत, अधिकांश लिथियम बैटरियां तरल इलेक्ट्रोलाइट्स का उपयोग करती हैं, जो उनकी ज्वलनशीलता के कारण सुरक्षा संबंधी समस्याएं पैदा करती हैं। इन खतरनाक तरल इलेक्ट्रोलाइट्स को बदलने के लिए कई अलग-अलग ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स प्रस्तावित किए गए हैं। अधिकांश सॉलिड-स्टेट बैटरियों के लिए, उच्च इंटरफेशियल प्रतिरोध इंटरकलेशन प्रक्रिया की उत्क्रमणीयता को कम करता है, जिससे जीवन चक्र छोटा हो जाता है। टीआईएस के लिए ये अवांछित इंटरफेसियल प्रभाव कम समस्याग्रस्त हैं2. एक ऑल-सॉलिड-स्टेट लिथियम बैटरी ने 1500 W/kg के अधिकतम पावर घनत्व के साथ 50 चक्रों में 1000 W/kg का पावर घनत्व प्रदर्शित किया। इसके अतिरिक्त, 50 चक्रों में बैटरी की औसत क्षमता 10% से कम घट गई। हालांकि टाइटेनियम डाइसल्फ़ाइड में उच्च विद्युत चालकता, उच्च ऊर्जा घनत्व और उच्च शक्ति होती है, लेकिन इसका डिस्चार्ज वोल्टेज अन्य लिथियम बैटरी की तुलना में अपेक्षाकृत कम होता है, जहाँ कैथोड में उच्च कमी क्षमता होती है।

अग्रिम पठन

 * http://authors.library.caltech.edu/5456/1/hrst.mit.edu/hrs/materials/public/Titanium_disulfide.htm