二硫化钨纳米材料的光吸收和光催化特性

相较于半导电体材料，二硫化钨纳米材料表现出更高的光吸收率，光催化特性是其另一个重要特性。对于半导体材料，光吸收特性是非常重要的，特别是对于光催化。当WS₂吸收光子时，会发生带内、带外和杂质缺陷之间的转换，这可以形成特定的吸收光谱。块状WS₂的特征吸收峰在910纳米的波长附近，位于近红外（NIR）区域。通过形成纳米结构，可以发现WS₂特征吸收峰的蓝移（blue shift）。

有研究人员用紫外线-可见光（UV-Vis）光谱仪测试了WS₂纳米片，得到了它的UV-Vis吸收光谱。合成的WS₂纳米片在380-530nm的波长范围内有一个明显的吸收峰，在600-700nm的波长范围内有一定的吸收峰。此外，与半导电体材料的低吸收率相比，具有纳米结构的WS2表现出更高的光吸收率。

例如，还有研究人员制备了超薄WS₂纳米带（N-WS₂），这种制备的纳米材料随着波长从200到1000纳米的增加，显示出强烈的和增强的光学吸收率。

因此，可见光区相对宽泛的吸收范围加上强烈的吸收，表明二硫化钨纳米材料在光催化方面具有广泛的应用前景，如在紫外光-近红外光下降解有机染料分子和分解水产生氢气。

光催化特性是WS₂的另一个重要特性，它可以被电子带结构所支配。一般来说，半导体材料的带状结构通常包含一个充满电子的价带和一个空的导带，它们之间有一个带隙。当暴露在能量大于带隙能量的光子下时，半导体的电子可以从价带转移到传导带，同时在其中留下空穴。

具体过程包括三个步骤：首先，在阳光下，半导体吸收光子能量并被激发，产生光生电子-空穴对；然后，光生电荷分离并在催化剂表面迁移；最后，光生电荷与有机污染物或H₂O之间发生一系列氧化还原反应。由于WS₂具有适当的带状结构，它可以成为驱动氧化还原反应以光降解有机污染物的有希望的候选者之一。研究人员开发了厚度为100纳米的WS₂纳米片，表现出很强的紫外线和可见光的光催化活性，表明这是一种新型的、有前途的宽太阳光谱催化剂。

通过进行光电化学（PEC）分析研究了光产生的电荷载体的行为，以揭示WS₂纳米片中的光电相互作用。结果证实，紫外线和可见光激发都能诱导WS₂纳米片中的电子-空穴对，这对光催化过程至关重要。此外，研究人员还记录了WS₂阳极对近红外光的开路电位（OCP）反应。WS₂纳米片阳极用了大约250秒的时间来实现较大的电位，这表明WS₂纳米片中光诱导的电荷载流子的寿命相对较长。这可以减少载流子的再结合，有利于载流子参与催化反应过程。

在热力学上，水是一种稳定的化合物。在标准条件下，1mol的水被分解成氢和氧，需要237千焦耳的额外能量。如前所述，尽管带隙可以通过剥离和形成纳米结构来调节，但块状WS₂的VBM和CBM能量与水氧化和还原的氧化还原电位不匹配。因此，使用单一的WS₂作为催化剂来分裂水的效率并不高。目前，WS₂应用于光催化水分解的一个可行策略是将WS₂与其他催化剂结合起来，形成异质结构。

但由于缺乏H₂进化的活性位点，其速率特性较低。当引入WS₂作为助催化剂时，光生电子转移到WS₂粒子上，由于WS₂对H⁺的还原具有良好的催化能力，可以诱导氢气的进化过程。然而，光生载流子的重组限制了WS₂在光催化领域的应用，这也是未来研究中需要关注的当务之急之一。

文章来源：Sun, CB., Zhong, YW., Fu, WJ. et al. 二硫化钨纳米材料用于能源转换和储存。Tungsten 2，109-133（2020）。

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