給你 1 mol 硫單質，你可以做什麼事？

01-04

硫單質作為一種比較常見的物質，可以參與很多化學反應：比如處理泄露的汞的時候，就要用到它（Hg + S = HgS）

將硫粉製成硫化氫 (H?S) ，然後和 HfO? 在500–1300 oC下反應製備 HfS?。

HfS? 是一種過渡金屬二硫屬化合物 (TMDs)，這類層狀化合物可剝離（類似著名的 Geim 教授拿膠帶粘石墨烯的那種剝離）為寡層的二維納米材料。

（圖註：HfS? 的層狀結構，層間距 0.59 nm）

這類膜通常具有優良的電學性質，比如二硫化鉿膜有用作製備場效應晶體管的潛力。

1 : 2 型化合物 HfS?，雙倍效率，你值得擁有。

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評論區好多人認為這個很暴力，其實 Geim 暴力剝離石墨烯是二維層狀納米材料最原始的製備方法，現在開發出的其他方法也很多了。

比如這個 HfS?，也可以通過液相剝離法製備：溶液中的摻雜離子嵌入晶體的層間，減弱層間作用力，使晶體的層與層之間解離，形成寡層的二硫化鉿膜。

還有一種方法是化學氣相沉積 (CVD) ，通過氣相中的化學反應製備目標結構。比如硫單質（這個更切題）和 HfCl? 在真空中加熱，蒸氣在基質上反應並沉積，也可以形成一層二硫化鉿膜。

——圖片及部分內容來源：Wikipedia (en), hafnium disulfide, 2017.6.16.

我正經科普一個吧，可以用來製備鋰硫電池。

先簡單地講講鋰硫電池和普通鋰離子電池的不同：

如上四個放電示意圖，第一個是普通商業鋰離子電池（LiCoO2）。此例是以LiCoO2為正極，以石墨為負極：

充電時，Li+從LiCoO2中脫嵌，進入電解液並嵌入負極石墨材料的晶格中，同時正極的Co3+被氧化為Co4+，釋放出的電子從外電路進入負極；放電時，Li+從負極脫嵌，重新經過電解液嵌入正極，而Co4+被還原為Co3+，電子從外電路流向正極。

第四個是鋰硫電池的放電示意圖（第二和第三個示意圖是鋰空電池，與本答案無關，不講）。與傳統鋰離子電池不同的是，鋰硫電池是以單質硫為正極，以金屬鋰為負極：

放電時鋰負極表面的Li失去電子變為Li+，進入電解液，與正極的硫單質及電子反應生成Li2S；充電過程相反。

鋰硫電池相比於普通的鋰離子電池有哪些優勢咧？首先是性能上的：

鋰硫電池的理論能量密度接近2600Wh/kg，相比之下，LiCoO2簡直渣渣。

同時其高達1672mAh/g的理論容量更是碾壓後者（LiCoO2隻有區區兩百不到）。

為什麼鋰硫電池的性能更好，用一句話簡單地講，相比於傳統正極材料（比如LiCoO2），單位質量的Li2S，儲鋰更多，所以電荷存儲能力更強，相應地，理論能量密度就更高。

另一個優勢是成本上的，硫單質在自然界儲量大，因此成本相應也就更低。

想想簡直賽艇有木有！彷彿即刻就能把傳統鋰離子電池給取代！然而現實很骨感，鋰硫電池要想真正走入商業應用，其實還有不少技術缺陷要克服：

首先是鋰負極的枝晶問題，生長出的樹枝狀鋰晶體甚至可能戳破隔膜，造成短路。

第二是硫單質的電導率極低，離子導電性也很差，會對電池的高倍率性能造成影響。

第三是體積膨脹問題，充放電過程中S和Li2S的密度差造成正極體積的劇烈變化，導致正極材料的脫落。

最後是廣為詬病的飛梭效應(shuttle effect)：

S轉變為Li2S的過程中，會出現多種價態的多硫化物，比如Li2S8、Li2S6、Li2S4等，這些中間產物偏偏溶解性強，會在濃度梯度的作用下穿過隔膜，在正負極間往複穿梭擴散，造成鋰的損失，相當蛋疼。

目前鋰硫電池的相關論文，關注點基本都在上述幾個問題：

比如，鋰枝晶？那我表面改性。硫的導電性差？那好，我把它負載到高電導率的介孔碳材料中去，不僅改善了整體導電性，還能提高硫的負載率。體積膨脹？那我就製備一種膠質介孔碳。多硫化物擴散？那好，我合成一種基於負電荷排斥效應的隔膜，對多硫化物進行阻隔。如此種種。

雖然這些問題只是得到改善，還沒有被徹底解決，然而我相信鋰硫電池的前景還是相當樂觀滴！

Ref：

1. Bruce, P. G.; Freunberger, S. A.; Hardwick, L. J.; Tarascon, J. M., Li-O2 and Li-S batteries with high energy storage. Nature Materials, 2012, 11 (1), 19-29.

2. Urbonaite, S.; Poux, T.; Novák, P., Progress Towards Commercially Viable Li-S Battery Cells. Advanced Energy Materials, 2015, 5 (16) , 1500118.

可以做很多好玩的實驗，這裡介紹幾個操作比較簡單的。

第一，可以製備出硫的晶體。

操作步驟如下：

1. 取一個錐形瓶，加入硫粉10克。

2. 隨後加入甲苯100毫升。

3. 在95攝氏度下加熱錐形瓶，使得硫粉完全溶於甲苯之中。

4. 之後關掉加熱，當溫度降至55攝氏度左右時瓶內開始有硫晶體析出，其形態為針狀，並且隨著溫度的下降晶體會越來越多。

第二，可以研究鐵與硫的反應。

操作步驟如下:

1.取一個燒杯，加入鐵粉和硫粉。

2. 將鐵粉和硫粉混勻後，倒在瓷板上。

3. 用噴燈加熱一根玻璃棒。

4. 將紅熱的玻璃棒插入粉末之中，立即引發劇烈反應（形如火山噴發），反應生成黑色的硫化亞鐵。

第三，可以通過加熱硫單質，得到硫的各種同素異形體。

18世紀後半葉，德國化學家米切利希和法國化學家泊美等人發現硫具有不同的晶形，於是提出硫的同素異形體（即元素相同但結構形態不同）概念。當硫是固態時，通常有兩種同素異形體：斜方硫（rhombic sulfur）和單斜硫（monoclinic sulfur）。天然的硫都是斜方硫，加熱至95.6度會轉變成單斜硫。如果持續加熱，119度時單斜硫會熔化成淡黃色、易於流動的液體（此液體稍加冷卻可以析出單斜硫晶體）。至160度時，液態硫的顏色會變深，黏度會增加10萬倍以上，而190度時黏度會達到最大。若把190度時的融熔態硫倒入冷水中冷卻，會產生硫的第三種同素異形體——彈性硫（elastic sulfur），它不溶於任何溶劑，靜置後可以緩慢地轉變為穩定的斜方硫。若不進行此操作，而是一直持續加熱至444.6度的話，液態硫會沸騰，生成橙黃色的蒸氣。下圖是硫單質在不同溫度下的變化示意圖。