WS2纳米材料能源转换和储存系统的最新发展

WS₂因其独特的结构特性和合适的氢结合能（与铂族金属相当）而广受关注。人们对WS₂纳米材料在能源转换和储存方面的应用进行了广泛的研究。

电催化的HER被认为是一种有前途的获得H₂的方法，它依赖于额外的电能来克服HER的热力学极限。在HER中，催化剂是最有影响的因素之一。研究人员对电催化剂进行了大量的研究，以寻找具有高效能量利用和良好反应稳定性的催化剂。

到目前为止，铂族金属被作为最有效的电催化剂应用于酸性介质中的HER。然而，它们的低储量和高成本在很大程度上阻碍了其大规模应用。

（图片来源：Jia P/Advanced Materials）

因此，寻找储量丰富且价格低廉的合适替代品是当务之急，这也刺激了各种研究。作为一种富含地球的二维材料，WS₂因其独特的结构特性和合适的氢结合能而受到越来越多的关注。WS₂的电催化活性在很大程度上取决于其表面结构和形态。大规模制造具有优良催化活性的高质量WS₂纳米结构是探索中的问题之一。

到目前为止，已经研究了各种形态以改善WS₂活性点的暴露。例如，Wu等研究人员制造了具有松散堆积层的WS₂纳米片，提供高度暴露的活性边缘。所制备的WS₂显示出-150 mV的过电位和~9.66 mA.cm^-2的电流密度，这比MoS₂（~1.12 Ma.cm^-2）的电极要高很多。

此外，Zou等研究人员展示了一种有效和简单的方法来制造具有三维纳米花形的WS₂。对于有效暴露的活性边缘，所制备的材料表现出良好的电催化性能。此外，研究人员制造了一种新型的WS₂@WS₂纳米结构，其边缘高度暴露于反应物，因此，所制备的WS₂纳米材料表现出突出的稳定性和电催化活性。

然而，WS₂相对较低的电导率（40-S.m^-1）通常导致高阻抗。为了面对这一挑战，许多方法试图改善WS₂的电导率和电化学性能，特别是与碳基材料复合。

电化学阻抗光谱（EIS）分析表明，WS₂/RGO混合纳米片在退火后拥有一个低阻抗系统，掺杂被证明是提高WS₂电催化性能的一个可行方法。

（图片来源：Jia P/Advanced Materials）

例如，Sun等研究人员在Ar气体下制备了氮掺杂的WS₂（N-WS₂-Ar）以及随后在还原H₂气体中进行后退火的样品（N-WS₂-H₂）。结果发现，掺氮的WS₂单层表现出1.5 eV的带隙，比裸露的WS₂单层（2.1 eV）更窄。更重要的是，研究表明，N原子的p轨道和邻近W原子的d轨道以及S原子的轨道在费米级的密集杂化可以激发更多的电荷载流子，因此，N掺杂的WS₂的本征导电性可以得到改善。

另一个限制是H原子的吸附和解吸过程。为了促进H原子的吸附和解吸，研究人员设计了一种WxC@WS2的纳米结构，以增强氢气的进化性能，揭示了WxC和WS₂之间的电荷分布对同时促进H原子的吸附和解吸过程有重要影响。

文章来源：Sun, CB., Zhong, YW., Fu, WJ. et al. WS₂纳米材料用于能源转换和储存。Tungsten 2，109-133（2020）。

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