过渡金属二卤化物(TMD)如MoS2、NiS2、Co9S8、VS2、VS4和V3S4具有良好的对氢原子的吸附能力和结构稳定性。钒硫化物，特别是V0.5VS2形式的V3S4，具有独特单斜NiAs型晶体结构、大的层间距(0.569 nm)和电导率。由VS2单分子层和另外的V原子连接相邻的层组成的柱状层状结构，提供了调节催化活性的多个活性位点。
先前的研究证实通过缺陷工程能够获得更合适的表面电子结构。这些缺陷能够充当金属节点，促进局域电子重分布，加快电荷转移速率。同时，在原子水平上引入金属杂原子能够诱导晶体畸变，调节能带结构和价态，从而优化中间体的吸附/解吸动力学。因此，将富缺陷的V3S4基催化剂与高负载金属原子相结合，有望通过MIS和由此产生的协同效应来提高碱性HER性能。
近日，云南大学胡广志、肖雪春和陈安然等采用水热-原位锚定法成功地在V3S4纳米薄片的硫空位(Sv)上锚定了高载量的W单原子(W-V3S4)，其中W单原子的载量为25.1 wt%。
一系列系统的表征和理论计算表明，首先，W-V3S4催化剂上高负载和分散的W SAs增加了活性中心；其次，富S空位缺陷与W SAs之间具有强的相互作用；还有就是，W SAs的锚定使得V3S4的电荷密度重新分布，有效地加速了水的解离，优化了氢中间体的吸附/解吸，协同提高了整体HER活性。
因此，在1.0 M KOH溶液中，W-V3S4催化剂在10 mA cm-2电流密度下的HER过电位仅为54 mV，在100 mV过电位下的质量活性为88.8 A gW-1，Tafel斜率为44 mV dec-1。同时，W-V3S4在酸性(0.5 M H2SO4)和中性(1.0 M PBS)电解质中也表现出良好的催化活性，突出了其广泛的适用性。
此外，W-V3S4能够在电流密度为20 mA cm-2下连续稳定反应50小时后，即使在高电流密度(200 mA cm-2)下连续运行100小时，催化剂的活性衰减也可以忽略不计。
总的来说，该项工作不仅证实了利用缺陷固定单原子催化剂对于提高HER活性具有重要作用，而且为扩展氢能量转换异质结构的应用研究提供了新的途径。
Electronic structure engineering of single-atom tungsten on vacancy-enriched V3S4 nanosheets for efficient hydrogen evolution. Advanced Science, 2024. DOI: 10.1002/advs.202409855
