二硫化鎢納米材料的光吸收和光催化特性

相較於半導電體材料，二硫化鎢納米材料表現出更高的光吸收率，光催化特性是其另一個重要特性。對於半導體材料，光吸收特性是非常重要的，特別是對於光催化。當WS₂吸收光子時，會發生帶內、帶外和雜質缺陷之間的轉換，這可以形成特定的吸收光譜。塊狀WS₂的特徵吸收峰在910納米的波長附近，位於近紅外（NIR）區域。通過形成納米結構，可以發現WS₂特徵吸收峰的藍移（blue shift）。

有研究人員用紫外線-可見光（UV-Vis）光譜儀測試了WS₂納米片，得到了它的UV-Vis吸收光譜。合成的WS₂納米片在380-530nm的波長範圍內有一個明顯的吸收峰，在600-700nm的波長範圍內有一定的吸收峰。此外，與半導電體材料的低吸收率相比，具有納米結構的WS2表現出更高的光吸收率。

例如，還有研究人員製備了超薄WS₂納米帶（N-WS₂），這種製備的納米材料隨著波長從200到1000納米的增加，顯示出強烈的和增強的光學吸收率。

因此，可見光區相對寬泛的吸收範圍加上強烈的吸收，表明二硫化鎢納米材料在光催化方面具有廣泛的應用前景，如在紫外光-近紅外光下降解有機染料分子和分解水產生氫氣。

光催化特性是WS₂的另一個重要特性，它可以被電子帶結構所支配。一般來說，半導體材料的帶狀結構通常包含一個充滿電子的價帶和一個空的導帶，它們之間有一個帶隙。當暴露在能量大於帶隙能量的光子下時，半導體的電子可以從價帶轉移到傳導帶，同時在其中留下空穴。

具體過程包括三個步驟：首先，在陽光下，半導體吸收光子能量並被激發，產生光生電子-空穴對；然後，光生電荷分離並在催化劑表面遷移；最後，光生電荷與有機污染物或H₂O之間發生一系列氧化還原反應。由於WS₂具有適當的帶狀結構，它可以成為驅動氧化還原反應以光降解有機污染物的有希望的候選者之一。研究人員開發了厚度為100納米的WS₂納米片，表現出很強的紫外線和可見光的光催化活性，表明這是一種新型的、有前途的寬太陽光譜催化劑。

通過進行光電化學（PEC）分析研究了光產生的電荷載體的行為，以揭示WS₂納米片中的光電相互作用。結果證實，紫外線和可見光激發都能誘導WS₂納米片中的電子-空穴對，這對光催化過程至關重要。此外，研究人員還記錄了WS₂陽極對近紅外光的開路電位（OCP）反應。WS₂納米片陽極用了大約250秒的時間來實現較大的電位，這表明WS₂納米片中光誘導的電荷載流子的壽命相對較長。這可以減少載流子的再結合，有利於載流子參與催化反應過程。

在熱力學上，水是一種穩定的化合物。在標準條件下，1mol的水被分解成氫和氧，需要237千焦耳的額外能量。如前所述，儘管帶隙可以通過剝離和形成納米結構來調節，但塊狀WS₂的VBM和CBM能量與水氧化和還原的氧化還原電位不匹配。因此，使用單一的WS₂作為催化劑來分裂水的效率並不高。目前，WS₂應用于光催化水分解的一個可行策略是將WS₂與其他催化劑結合起來，形成異質結構。

但由於缺乏H₂進化的活性位元點，其速率特性較低。當引入WS₂作為助催化劑時，光生電子轉移到WS₂粒子上，由於WS₂對H⁺的還原具有良好的催化能力，可以誘導氫氣的進化過程。然而，光生載流子的重組限制了WS₂在光催化領域的應用，這也是未來研究中需要關注的當務之急之一。

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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