二硫化钨纳米材料的电子特性和HER机理

由于二硫化钨纳米材料在能量转换和存储领域具有广阔的应用前景，人们致力于研究和改善其WS₂的电子特性和HER机理，如载流子浓度（p）、迁移率（μ）和电阻率（ρ）。根据理论预测，在半导体TMDCs中，由于有效质量降低，WS₂具有最高的电子迁移率。

在室温下测量的块状2H-WS₂的电传输参数被发现为：ρ=3.37 Ω·cm；p=7×1016 cm^-3；μ=30 cm² -V^-1.s^-1。当WS2的厚度减少到单层时，电子迁移率可以得到改善。例如，在室温下，多层和单层WS₂的电子迁移率为44 cm2 -V^-1.s^-1。

同样，研究人员研究了单层和双层WS₂的电子特性，在室温下获得了50±7 cm² -V^-1.s^-1的场效应迁移率。应该指出的是，水分子和其他吸收在WS₂表面的原子可以作为电荷载流子的陷阱，这可以强烈影响WS₂的电性能。因此，原位退火可以用来去除吸附物以研究WS₂的内在电性能。

在WS₂纳米管（NTs）的情况下，由于非理想的场效应行为，NTs的载流子迁移率比大块WS₂的迁移率小六个数量级。NTs的载流子浓度从3.0×1017到1.6×1018 cm^-3不等，这比块状WS₂（1×1017 cm-3）要高。与块状物相比，WS₂ NTs的高载流子浓度的可能原因可能是由于弯曲层中的应变和缺陷造成的。

HER机理是水分解的阴极半反应，是研究最深入的电化学反应之一。为了驱动该反应，需要额外的能量来克服活化屏障，如电能。在外加电流的情况下，WS₂的电催化HER过程主要通过氢的吸附（Volmer反应）和解吸（Heyrovsky或Tafel反应）进行。

理想的催化剂，其吸附原子氢的自由能接近热中性（GH≈0），这可能影响到HER过程的第一步。基于DFT计算，研究人员计算了WS₂的氢结合能，其中S和W边相等（GH≈0.22 eV），这表明WS₂应是一个合理的好的氢气进化催化剂。

二硫化钨纳米材料的边缘是活性部位，晶体结构对HER的活性有相当大的影响，特别是1T结构。例如，Voiry等人发现，金属1T位点是提高WS₂纳米片催化活性的重要因素。这可以归因于1T-WS₂变得高度扭曲，在晶格中具有很大比例的之字形应变。1T-WS₂单层的原子氢吸附自由能可以被应变所调节。

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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