二硫化鎢納米材料在能源轉換和儲存的應用

由於全球人口的快速增長和社會經濟的快速發展，能源和環境問題受到廣泛關注。作為一種過渡金屬二硫化物，二硫化鎢納米材料在能源轉換和儲存領域取得了重要的研究進展。鑒於這些材料的多功能性和豐富的微觀結構，二硫化鎢（WS2）納米材料的可塑性和可控合成廣受研究人員的關注。

近幾十年來，能源短缺和環境污染的問題日益突出。發展可持續發展的清潔能源及相關技術被認為是各國的首要任務。由於大多數可持續清潔能源高度依賴於時間、地區和天氣因素，因此需要開發相關的能源轉換和存放裝置來有效地存儲這些間歇性能源。

在能源轉換領域，電催化氫氣進化被認為是開發可再生清潔能源的一種有前途的方法。然而，傳統的電催化鉑族催化劑面臨著成本高、儲備少的問題，限制了電催化氫氣進化技術的發展。此外，光催化氫氣演化或污染物降解作為一種新的太陽能利用方式，在解決能源和環境問題上具有廣闊的應用和研究前景。

目前，尋找一種合適的催化劑來提高光催化的太陽光利用效率仍然是一個挑戰。在儲能領域，二次離子電池（如鋰離子電池和鈉離子電池）和超級電容器發揮著重要作用，然而，用於二次離子電池和超級電容器的電極材料仍然面臨挑戰。例如，儘管碳材料的導電性很高，但用於電池和超級電容器的傳統碳材料具有比容量低、體積能量密度小和迴圈性能差的缺點。

鑒於這一系列的挑戰，人們努力研究具有優良性能的催化劑和電極材料。由於表面積大，一系列二維（2D）層狀過渡金屬二氯化物（TMDC）材料因其成本低、化學和熱穩定性以及良好的可加工性而引起人們的極大興趣。其中，二硫化鎢（WS2）納米材料因其固有的晶體結構、可調的電子帶結構和形態而成為代表。

具體來說，首先，WS2有三種晶體結構：三角型（1T）、六方多晶型（2H）和斜方型（3R），它們可以用於各個領域。第二，隨著層數的減少，可以調節帶隙，從體層到單層。第三，WS2納米材料表現出多樣化的形態，主要包括納米片、無機富勒烯樣結構（IF-WS2）、納米管（NT-WS2）、納米球、納米線、納米棒和納米花。由於上述固有的特性，WS2納米材料在氫氣進化反應（HER）中表現出良好的光催化和電催化性能，這使它們成為潛在的光催化和電催化材料。

此外，研究人員還研究了一些改性方法以改善其光學和電學性能。例如，通過晶相調節可以實現半導體到金屬相的相變，從而通過形態邏輯調節可以暴露出許多活性位點，這可以提高二硫化鎢納米材料的光和電催化劑性能。

通過構建混合體（摻雜和複合），可以利用協同效應來提高WS2納米材料的導電性和各種電化學性能。基於上述優勢，WS2基納米材料在能源轉換和存儲的應用方面取得了一些令人鼓舞的成果。例如，以前的研究表明，WS2納米顆粒的形式表現出良好的電催化活性和穩定性。

此外，二硫化鎢納米材料中的納米片具有很強的紫外線和可見光的光催化活性，表明它是一種獨特的、有價值的寬太陽光譜光催化劑。此外，超薄的WS2納米片在用作鋰離子電池的陽極時，擁有高的比容量和巨大的迴圈穩定性。因此，WS2納米材料在電催化、光催化、電池和超級電容器領域的應用顯示出巨大的前景。

文章來源：Sun, CB., Zhong, YW., Fu, WJ. et al. 二硫化鎢基納米材料用於能源轉換和儲存。Tungsten 2，109-133（2020）。https://doi.org/10.1007/s42864-020-00038-6

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