文献速递 | 张斗&罗行 Nano Energy 压电光催化

第一作者：刘琼

通讯作者：张斗 罗行

DIO:10.1016/j.nanoen.2021.106702

本文亮点

本工作通过将传统的光电材料TiO₂与无铅压电材料BaTiO₃ (BT)复合，两步水热法合成BaTiO₃纳米线（BT NWs），并采用化学浴在纳米线表面沉积不同厚度的TiO₂层，制备核壳结构的BT@TiO₂ NWs异质结结构，研究其协同耦合作用，得到以下主要创新性结论：

• 超声周期（频率）对气泡爆破产生影响，从而影响材料形变大小；

• BaTiO₃和TiO₂之间存在耦合效应，在超声和光照作用下，BaTiO₃中产生自发极化电场，在TiO₂表面产生感应电荷，导致BaTiO₃中能带倾斜，TiO₂中能带弯曲。压电极化引入所引起的能带的倾斜和弯曲可以导致电荷的完美分离，并抑制光诱导电荷在体相中的复合。

• BaTiO₃@TiO₂纳米线在多种高浓度染料的降解方面展示了优异的催化性能。

前言

2020年11月，Nano Energy 杂志在线发表了中南大学张斗教授团队在压电光催化领域的最新研究成果。该工作报道了BaTiO₃@TiO₂纳米线光电-压电协同催化降解多种高浓度染料的作用机制。论文第一作者为：中南大学博士研究生刘琼，论文共同通讯作者为：张斗教授以及罗行副教授。

背景介绍

压电催化是一种将机械能转化为化学能的方法，在外部机械力的作用下压电材料的表面因压电效应产生感应电荷，并参与到相应的化学反应中。半导体光催化技术可将低密度的太阳能转化为化学能，广泛应用在光催化还原N₂产生氨能、降解污染物、CO₂还原等方面。机械能和光能无处不在，通过复合光催化剂将半导体的光吸收范围从紫外区扩展至可见光和近红外区域，同时结合压电势调制催化材料异质结界面及肖特基结界面的电荷，提高载流子的分离效率，实现压电催化与光催化协同催化降解有机废水，在解决能源短缺与环境污染这两大问题上具有重要研究意义和应用前景。

本文所用仪器

关键特征：

● 具有恒光辐照度输出(光控)和恒电流输出(程控)两种工作模式；

● 采用光学光反馈技术，实现输出光强的长期稳定输出；

● 采用液晶显示屏，显示相对辐照值、灯泡寿命计时；

● 具有过载过流保护，风扇延时等多种保护功能。

图表解析

结合COMSOL有限元模拟，证明了压电催化的超声振动频率除了与材料谐振频率相关外，还受溶液中气泡生长的速率影响，当超声频率的周期与超声空化气泡的生长周期相同时，压电催化的效果更佳，如图1-3所示。在超声波的作用下，液体会产生超声空化。水分子在压力作用下会发生变形，形成气泡。气泡内爆是由压缩引起的，内爆时刻的压力可达10⁹至10¹⁰ Pa。在低频率下，液体受到较长时间间隔的压缩，气泡在内爆前会变大，空化强度增大，破裂压力增大。气泡内爆引起的压力增大可以使BT产生更大的变形，从而产生更多的极化电荷。采用有限元建模的方法进行周期力作用的仿真。通过比较各周期函数模型的作用力最大的半周期点。结果表明:当施加相同的力(F₁=1 Mpa)时，产生的压电电势不随频率(T=0.5 s ~ T=1 s)的变化而变化;当频率相同(T=1 s)时，所产生的压电电势随作用力的增大而增大。对于同样的材料，产生的电势与电荷量成正比。因此，Q-t曲线如图3a-c所示，曲线周围的面积代表这段时间内产生的总电荷量。以1s为例，面积计算公式为:Q₃大于Q₂和Q₁，模拟结果验证了超声波的周期会对气泡爆破产生影响，使材料产生更大的变形。

BT@TiO₂ NWs异质结的压电-光耦合效应在降解典型的高浓度染料具有优异的压电-光催化性能。0.5g/L BT@TiO₂-120 NWs对30 mg/L RhB、MB和IC溶液的降解效率分别为75 min、99.8 %和45 min 99.7 %，优于现有的压电-光协同催化降解染料的记录（图4）。

通过光电化学测量和能带图分析（图5和图6），揭示了压电-光耦合机制。TiO₂-BaTiO₃异质结使得载流子浓度从 2.28×1017 cm^-3 增加到 4.91×1018 cm^-3，电荷寿命从50.37 ms提高到60.98 ms。由压电极化引起的能带的倾斜和光激发下产生的能带弯曲促进体相和半导体表面的载流子分离。

全文小结

本研究成果为高浓度染料降解提供新的思路，压电-光电协同催化的研究思路还可拓展至催化产氢和二氧化碳还原等领域。

作者简介

张斗

中南大学教授

主要研究方向：电子陶瓷与器件,介电复合材料与器件,无铅压电铁电陶瓷、铁电薄膜、3D直写以及多孔生物陶瓷等。

粉末冶金研究院副院长，博士生导师，英国伯明翰大学冶金与材料学院“荣誉教授”。2009年入选教育部“新世纪优秀人才计划”，2011年入选湖南省自然科学杰出青年，2012年入选湖南省“百人计划”，2020年获得湖南省技术发明一等奖（排名第一）。近5年以第一或通讯作者在本专业顶级杂志Advanced Materials 、Chemical Society Reviews和 Advanced Science等发表 SCI 论文 88篇，总影响因子 814.053。
相关研究成果请访问网址：
https://scholar.google.com/citations?user=f9TSNUEAAAAJ&hl=en&oi=ao
https://www.researchgate.net/profile/Dou_Zhang3/reputation
http://xueshu.baidu.com/scholarID/CN-BS75BALJ

罗行

中南大学副教授

主要研究方向：高分子介电复合材料， 陶瓷3D打印和压电催化

近五年，主持了国家级创新项目，国家重点研发计划课题（2020YFA0711700），国家自然科学青年和面上基金（52002404/52172265），湖南省自然科学基金面上项目(2019JJ40349)、中国博士后科学基金特别资助(2018T110840)等项目，在材料、物理、和化学等领域期刊上发表SCI论文共50余篇，被引超2000次，其中以第一作者和通讯作者身份在Chem. Soc. Rev., Prog. Mater. Sci., Adv. Sci., Nano Energy, Chem. Eng. J, Macromolecules和Appl. Phys. Lett.等期刊上共发表SCI论文40篇；IF>10 的论文12篇，单篇最高影响因子54.56，单篇最高引用230次，曾入选 ESI 高被引论文(Highly Cited Paper) 4篇，热点论文(Hot Paper)1篇，NI (自然指数)论文3篇；申请国家发明专利16项，已授权发明专利13项；受邀在能源和材料相关领域国际会议作2次邀请报告、国内会议作3次邀请报告；2019年和2021年受邀分别在Chem. Soc. Rev.和Prog. Mater. Sci.上发表了以界面设计和NBT无铅压电陶瓷为主题的综述论文。

文献信息：

Liu Qiong., Zhai Di., Xiao Zhida., Tang Chen., Sun Qiwei., Luo Hang., Zhang Dou. Piezo-photoelectronic coupling effect of BaTiO₃@TiO₂ nanowires for highly concentrated dye degradation. Nano Energy. 2022; 92. 

推荐仪器

本文素材来源：中南大学张斗教授团队。

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