二硫化鎢納米材料的電子特性和HER機理

由於二硫化鎢納米材料在能量轉換和存儲領域具有廣闊的應用前景，人們致力於研究和改善其WS₂的電子特性和HER機理，如載流子濃度（p）、遷移率（μ）和電阻率（ρ）。根據理論預測，在半導體TMDCs中，由於有效品質降低，WS₂具有最高的電子遷移率。

在室溫下測量的塊狀2H-WS₂的電傳輸參數被發現為：ρ=3.37 Ω·cm；p=7×1016 cm^-3；μ=30 cm² -V^-1.s^-1。當WS2的厚度減少到單層時，電子遷移率可以得到改善。例如，在室溫下，多層和單層WS₂的電子遷移率為44 cm2 -V^-1.s^-1。

同樣，研究人員研究了單層和雙層WS₂的電子特性，在室溫下獲得了50±7 cm² -V^-1.s^-1的場效應遷移率。應該指出的是，水分子和其他吸收在WS₂表面的原子可以作為電荷載流子的陷阱，這可以強烈影響WS₂的電性能。因此，原位退火可以用來去除吸附物以研究WS₂的內在電性能。

在WS₂納米管（NTs）的情況下，由於非理想的場效應行為，NTs的載流子遷移率比大塊WS₂的遷移率小六個數量級。NTs的載流子濃度從3.0×1017到1.6×1018 cm^-3不等，這比塊狀WS₂（1×1017 cm-3）要高。與塊狀物相比，WS₂ NTs的高載流子濃度的可能原因可能是由於彎曲層中的應變和缺陷造成的。

HER機理是水分解的陰極半反應，是研究最深入的電化學反應之一。為了驅動該反應，需要額外的能量來克服活化屏障，如電能。在外加電流的情況下，WS₂的電催化HER過程主要通過氫的吸附（Volmer反應）和解吸（Heyrovsky或Tafel反應）進行。

理想的催化劑，其吸附原子氫的自由能接近熱中性（GH≈0），這可能影響到HER過程的第一步。基於DFT計算，研究人員計算了WS₂的氫結合能，其中S和W邊相等（GH≈0.22 eV），這表明WS₂應是一個合理的好的氫氣進化催化劑。

二硫化鎢納米材料的邊緣是活性部位，晶體結構對HER的活性有相當大的影響，特別是1T結構。例如，Voiry等人發現，金屬1T位元點是提高WS₂納米片催化活性的重要因素。這可以歸因於1T-WS₂變得高度扭曲，在晶格中具有很大比例的之字形應變。1T-WS₂單層的原子氫吸附自由能可以被應變所調節。

文章來源：Sun, CB., Zhong, YW., Fu, WJ. et al. 二硫化鎢納米材料用於能源轉換和儲存。Tungsten 2，109-133（2020）。

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