二硫化钨纳米材料在能源转换和储存的应用

由于全球人口的快速增长和社会经济的快速发展，能源和环境问题受到广泛关注。作为一种过渡金属二硫化物，二硫化钨纳米材料在能源转换和储存领域取得了重要的研究进展。鉴于这些材料的多功能性和丰富的微观结构，二硫化钨（WS2）纳米材料的可塑性和可控合成广受研究人员的关注。

近几十年来，能源短缺和环境污染的问题日益突出。发展可持续发展的清洁能源及相关技术被认为是各国的首要任务。由于大多数可持续清洁能源高度依赖于时间、地区和天气因素，因此需要开发相关的能源转换和存储设备来有效地存储这些间歇性能源。

在能源转换领域，电催化氢气进化被认为是开发可再生清洁能源的一种有前途的方法。然而，传统的电催化铂族催化剂面临着成本高、储备少的问题，限制了电催化氢气进化技术的发展。此外，光催化氢气演化或污染物降解作为一种新的太阳能利用方式，在解决能源和环境问题上具有广阔的应用和研究前景。

目前，寻找一种合适的催化剂来提高光催化的太阳光利用效率仍然是一个挑战。在储能领域，二次离子电池（如锂离子电池和钠离子电池）和超级电容器发挥着重要作用，然而，用于二次离子电池和超级电容器的电极材料仍然面临挑战。例如，尽管碳材料的导电性很高，但用于电池和超级电容器的传统碳材料具有比容量低、体积能量密度小和循环性能差的缺点。

鉴于这一系列的挑战，人们努力研究具有优良性能的催化剂和电极材料。由于表面积大，一系列二维（2D）层状过渡金属二氯化物（TMDC）材料因其成本低、化学和热稳定性以及良好的可加工性而引起人们的极大兴趣。其中，二硫化钨（WS2）纳米材料因其固有的晶体结构、可调的电子带结构和形态而成为代表。

具体来说，首先，WS2有三种晶体结构：三角型（1T）、六方多晶型（2H）和斜方型（3R），它们可以用于各个领域。第二，随着层数的减少，可以调节带隙，从体层到单层。第三，WS2纳米材料表现出多样化的形态，主要包括纳米片、无机富勒烯样结构（IF-WS2）、纳米管（NT-WS2）、纳米球、纳米线、纳米棒和纳米花。由于上述固有的特性，WS2纳米材料在氢气进化反应（HER）中表现出良好的光催化和电催化性能，这使它们成为潜在的光催化和电催化材料。

此外，研究人员还研究了一些改性方法以改善其光学和电学性能。例如，通过晶相调节可以实现半导体到金属相的相变，从而通过形态逻辑调节可以暴露出许多活性位点，这可以提高二硫化钨纳米材料的光和电催化剂性能。

通过构建混合体（掺杂和复合），可以利用协同效应来提高WS2纳米材料的导电性和各种电化学性能。基于上述优势，WS2基纳米材料在能源转换和存储的应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纳米颗粒的形式表现出良好的电催化活性和稳定性。

此外，二硫化钨纳米材料中的纳米片具有很强的紫外线和可见光的光催化活性，表明它是一种独特的、有价值的宽太阳光谱光催化剂。此外，超薄的WS2纳米片在用作锂离子电池的阳极时，拥有高的比容量和巨大的循环稳定性。因此，WS2纳米材料在电催化、光催化、电池和超级电容器领域的应用显示出巨大的前景。

文章来源：Sun, CB., Zhong, YW., Fu, WJ. et al. 二硫化钨基纳米材料用于能源转换和储存。Tungsten 2，109-133（2020）。https://doi.org/10.1007/s42864-020-00038-6

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