Ковеллит: Свойства, структура и применение сульфида меди.
Covellite
Ковеллит (CuS) – редкий сульфид меди, впервые обнаружен у Везувия. Уникальные свойства обусловлены молекулярной структурой. Химический состав и свойства.
Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Сульфидный минерал
Sulfide mineral
Ковелит (также известный как ковелин) — редкий сульфидный минерал меди с формулой CuS. Первые сведения о нём поступили с горы Везувий, официально названной в 1832 году в честь Н. Ковелли. Это указывает на то, что некоторые особые свойства ковелита являются результатом его структуры на молекулярном уровне. Как описано для моносульфида меди, присвоение формальных степеней окисления атомам, составляющим ковелит, вводит в заблуждение. Формула может навести на мысль об описании Cu2+, S2−. Однако атомная структура показывает, что медь и сера принимают две различные геометрические конфигурации. Тем не менее, фотоэлектронная спектроскопия, магнитные и электрические свойства указывают на отсутствие ионов Cu2+ (d9). Таким образом, минерал лучше описывать как состоящий из Cu+ и S−, а не из Cu2+ и S2−. По сравнению с пиритом, где спаренные S−-анионы образуют S22−, в ковелите удерживается лишь 2/3 атомов серы.
Covellite (also known as covelline) is a rare copper sulfide mineral with the formula CuS. The first records are from Mount Vesuvius, formally named in 1832 after N. Covelli. This indicates that several of covellite's special properties are the result of molecular structure at this level. As described for copper monosulfide, the assignment of formal oxidation states to the atoms that constitute covellite is deceptive. The formula might seem to suggest the description Cu2+, S2−. In fact the atomic structure shows that copper and sulfur each adopt two different geometries. However photoelectron spectroscopy, magnetic, and electrical properties all indicate the absence of Cu2+ (d9) ions. Thus, the mineral is better described as consisting of Cu+ and S− rather than Cu2+ and S2−. Compared to pyrite with a non closed shell of S− pairing to form S22−, there are only 2/3 of the sulfur atoms held.
Структура
Для сульфида меди ковелит имеет сложную слоистую структуру, с чередующимися слоями CuS и Cu2S2, в которых атомы меди имеют тригонально-плоскую (редкую) и тетраэдрическую координацию соответственно. Как первичный минерал, образование ковелита ограничено гидротермальными условиями, поэтому он редко встречается в медных рудных месторождениях или в виде вулканического сублимата. Его образование также зависит от состояния и истории сопутствующих сульфидов, из которых он образовался. Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что метаванадат аммония (NH4VO3) может быть важным катализатором твердофазного превращения ковелита из других сульфидов меди. Однако необходимы дальнейшие исследования, поскольку, хотя ковелит может быть достаточно распространен, рост его кристаллов фактически сдерживается физическими ограничениями, связанными с деятельностью бактерий. Никола Ковелли (1790–1829), первооткрыватель минерала, был профессором ботаники и химии, но интересовался геологией и вулканологией, в особенности извержениями Везувия. Структура CuS3/CuS2 обеспечивает избыток электронов, что способствует сверхпроводимости в определенных состояниях с исключительно малыми тепловыми потерями. В настоящее время материаловедение осведомлено о ряде благоприятных свойств ковелита, и ряд исследователей стремятся к его синтезу. Области применения ковелита, связанные с исследованиями его сверхпроводимости, включают катоды литиевых аккумуляторов, датчики аммиака и солнечные электроустройства с использованием тонких пленок металлических халькогенидов.
For a copper sulfide, covellite has a complicated lamellar structure, with alternating layers of CuS and Cu2S2 with copper atoms of trigonal planar (uncommon) and tetrahedral coordination respectively. As a primary mineral, the formation of covellite is restricted to hydrothermal conditions, thus rarely found as such in copper ore deposits or as a volcanic sublimate. Its formation also depends on the state and history of the associated sulfides it was derived from. Experimental evidence shows ammonium metavanadate (NH4VO3) to be a potentially important catalyst for covellite's solid state transformation from other copper sulfides. However, further research remains, because although the abundance of covellite may be high, the growth of its crystal size is actually inhibited by physical constraints of the bacteria. Nicola Covelli (1790 1829), the discoverer of the mineral, was a professor of botany and chemistry though was interested in geology and volcanology, particularly Mount Vesuvius' eruptions. The framework of CuS3 /CuS2 allow for an electron excess that facilitate superconduction during particular states, with exceptionally low thermal loss. Material science is now aware of several of covellite's favorable properties and several researchers are intent on synthesizing covellite. Uses of covellite CuS superconductivity research can be seen in lithium batteries’ cathodes, ammonium gas sensors, and solar electric devices with metal chalcogenide thin films.
Литий-ионные аккумуляторы
Исследования альтернативных катодных материалов для литий-ионных аккумуляторов часто посвящены изучению сложных изменений в стехиометрии и тетраэдрической слоистой структуре сульфидов меди. К преимуществам относятся ограниченная токсичность и низкая стоимость. Высокая электропроводность ковеллита (10−3 См/см) и высокая теоретическая емкость (560 мАч/г) с плоскими разрядными кривыми при циклировании относительно Li+/Li были установлены как критически важные факторы, определяющие емкость. Однако эта способность может быть ограничена пластинчатой структурой, характерной для всех сульфидов меди. Таким образом, возможности применения наноструктур ковеллита CuS изучаются для создания будущих химических сенсоров, электронных устройств и других приборов.
Research into alternate cathode material for lithium batteries often examines the complex variations in stoichiometry and tetrahedron layered structure of copper sulfides. Advantages include limited toxicity and low costs. The high electrical conductivity of covellite (10−3 S cm−1) and a high theoretical capacity (560 mAh g−1) with flat discharge curves when cycled versus Li+/Li has been determined to play critical roles for capacity. However, this ability can be limited by the plate like structure all copper sulfides possess. Thus, future chemical sensing devices, electronics, and others instruments are being explored with the use of nanostructures with covellite CuS.