One-step synthesis of NiS2/Ni3S4 under atmospheric pressure using deep eutectic solvent as dual reaction medium and morphology regulator
本文报道了一种利用深共晶溶剂作为反应介质和形貌调节剂，在大气压下合成 NiS2/Ni3S4 复合材料的方法，该方法促进了歧化途径的发生，从而产生具有高电导率、适用于电催化和储能应用的一类纳米级颗粒。
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硫化镍是一类科学家长期以来非常钦佩的材料，因为它们具有导电和驱动化学反应的能力。它们由镍（一种常见的金属）和硫（一种通常因其独特气味而被识别的黄色元素）组成。当这些元素结合时，形成的化合物可以以不同的形状和结构存在，就像水可以以冰、液体或蒸汽的形式存在一样。这些变化赋予了这些材料独特的性能，使其在电池等储能技术或通过分解水来创造清洁燃料的过程中具有重要价值。然而，制造这些材料传统上一直很困难。大多数方法需要将化学物质在密封的金属容器内的高压下加热，这是一个高能耗、昂贵且难以扩大生产规模的过程。此外，控制所得颗粒的精确尺寸和形状往往是一个挑战，因为高压环境可能导致不可预测的结果。
来自攀枝花大学和昆明理工大学的研究团队发现了一种更简单的制造这些材料的方法。他们开发了一种在常压下即可运行的方法，这意味着不需要沉重的密封压力容器。他们没有使用剧烈的有机溶剂或极端条件，而是使用了一种被称为深共晶溶剂的特殊液体混合物。这种混合物是通过将胆碱氯化盐（一种存在于许多生物系统中的盐）与乙二醇（一种常见的防冻剂成分）结合而成的。当按正确的比例混合时，这两种液体会形成一种稳定的、粘稠的流体，既作为反应的环境，又作为最终产物形状的引导。研究人员将硝酸镍和硫代硫酸钠混合到这种液体中并对其进行加热。通过仔细调节温度、时间和起始化学物质的用量，他们能够高精度地生产出一种由两种特定硫化镍相（NiS2 和 Ni3S4）组成的复合材料。
该过程表明，这种液体混合物的粘稠特性在塑造最终材料方面起到了至关重要的作用。由于这种液体非常粘稠，它限制了颗粒生长的速度，起到了一种天然模具的作用，使晶体保持微小。研究发现，所得颗粒的尺寸在 50 到 100 纳米之间，这比传统高压方法通常实现的尺寸要小得多。研究人员发现，温度需要足够高，具体为 120 摄氏度，且反应需要持续运行 24 小时，以确保材料纯净且成型良好。如果过程过早停止或温度过低，材料仍会保持为不理想的中间化合物混合物。通过微调起始化学物质的浓度，他们可以控制最终产物中两种不同硫化镍相的比例，从而创造出既纯净又一致的材料。
为了准确理解这一转变是如何发生的，团队在整个反应过程中监测了液体内部的化学环境。他们测量了酸度、电势和硫酸根离子浓度。他们的观察表明，提供硫元素的硫代硫酸钠经历了一个复杂的变化，即它同时充当氧化剂和还原剂。这种双重作用使其能够分解并与镍重新结合，从而形成所需的硫化物结构。至关重要的是，研究人员确认深共晶溶剂本身并未发生改变或参与化学反应；它保持稳定且惰性，仅作为安全有效的介质。这一发现意义重大，因为它证明了此类混合物可以作为创建复杂材料的可靠、可重复利用的环境，而不会存在溶剂本身分解或污染产品的风险。
研究人员测试了最终材料的导电能力，这是其在能源器件中应用的性能关键。当粉末在压力下压缩时，它表现出优异的导电性，在 20 兆帕的压力下，电阻率低至 0.010 欧姆·厘米。尽管是在温和得多的条件下制造的，但这一性能水平与科学文献中报道的最佳硫化镍复合材料相当。该研究表明，无需危险的高压设备或有毒溶剂，也可以制造高性能的混合相硫化镍材料。通过使用一种既能控制颗粒尺寸又属于绿色溶剂的常压简单方法，研究人员为更高效、更可持续地制造这些材料开辟了新途径。这种方法表明，先进能源材料的生产未来可能会变得更加普及、可扩展且环境友好。
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