WS2納米材料能源轉換和儲存系統的最新發展

WS₂因其獨特的結構特性和合適的氫結合能（與鉑族金屬相當）而廣受關注。人們對WS₂納米材料在能源轉換和儲存方面的應用進行了廣泛的研究。

電催化的HER被認為是一種有前途的獲得H₂的方法，它依賴於額外的電能來克服HER的熱力學極限。在HER中，催化劑是最有影響的因素之一。研究人員對電催化劑進行了大量的研究，以尋找具有高效能量利用和良好反應穩定性的催化劑。

到目前為止，鉑族金屬被作為最有效的電催化劑應用於酸性介質中的HER。然而，它們的低儲量和高成本在很大程度上阻礙了其大規模應用。

因此，尋找儲量豐富且價格低廉的合適替代品是當務之急，這也刺激了各種研究。作為一種富含地球的二維材料，WS₂因其獨特的結構特性和合適的氫結合能而受到越來越多的關注。WS₂的電催化活性在很大程度上取決於其表面結構和形態。大規模製造具有優良催化活性的高品質WS₂納米結構是探索中的問題之一。

到目前為止，已經研究了各種形態以改善WS₂活性點的暴露。例如，Wu等研究人員製造了具有鬆散堆積層的WS₂納米片，提供高度暴露的活性邊緣。所製備的WS₂顯示出-150 mV的過電位和~9.66 mA.cm^-2的電流密度，這比MoS₂（~1.12 Ma.cm^-2）的電極要高很多。

此外，Zou等研究人員展示了一種有效和簡單的方法來製造具有三維納米花形的WS₂。對於有效暴露的活性邊緣，所製備的材料表現出良好的電催化性能。此外，研究人員製造了一種新型的WS₂@WS₂納米結構，其邊緣高度暴露於反應物，因此，所製備的WS₂納米材料表現出突出的穩定性和電催化活性。

然而，WS₂相對較低的電導率（40-S.m^-1）通常導致高阻抗。為了面對這一挑戰，許多方法試圖改善WS₂的電導率和電化學性能，特別是與碳基材料複合。

電化學阻抗光譜（EIS）分析表明，WS₂/RGO混合納米片在退火後擁有一個低阻抗系統，摻雜被證明是提高WS₂電催化性能的一個可行方法。

例如，Sun等研究人員在Ar氣體下製備了氮摻雜的WS₂（N-WS₂-Ar）以及隨後在還原H₂氣體中進行後退火的樣品（N-WS₂-H₂）。結果發現，摻氮的WS₂單層表現出1.5 eV的帶隙，比裸露的WS₂單層（2.1 eV）更窄。更重要的是，研究表明，N原子的p軌道和鄰近W原子的d軌道以及S原子的軌道在費米級的密集雜化可以激發更多的電荷載流子，因此，N摻雜的WS₂的本征導電性可以得到改善。

另一個限制是H原子的吸附和解吸過程。為了促進H原子的吸附和解吸，研究人員設計了一種WxC@WS2的納米結構，以增強氫氣的進化性能，揭示了WxC和WS₂之間的電荷分佈對同時促進H原子的吸附和解吸過程有重要影響。

文章來源：Sun, CB., Zhong, YW., Fu, WJ. et al. WS₂納米材料用於能源轉換和儲存。Tungsten 2，109-133（2020）。

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