中國地大Nano Energy：基于水流弱力驅動的高靈敏柔性壓電光催化劑研究

【引言】

半導體光催化材料有望解決全球能源和環境問題，壓電光催化是實現優異催化性能的有效方法之一，但是壓電光催化劑通常需要超聲等高能耗條件，從而限制了實際應用和進一步發展。在本研究中提出了一種新的材料設計，通過能量轉換柔性薄膜結合半導體催化劑實現優異的壓電光催化性能。

【成果簡介】

中國地質大學（北京）材料科學與工程學院資源綜合利用與環境能源新材料創新團隊張以河教授、安琪副教授和黃洪偉教授指導佟望舒，利用改性石墨烯為增強體，制備聚偏氟乙烯-六氟丙烯多孔復合薄膜，實現了高靈敏的發電儲能性能，在其表面分別負載TiO₂、BiOI和CdS三種半導體光催化劑，在水流弱力的作用下，三種復合催化劑的光催化性能均比單一半導體有顯著提升，認為柔性復合薄膜在弱力驅動下，產生周期性電場，提高光生電子和空穴分離效率，使得復合催化劑的光催化性能提升。相關結果發表在國際材料能源類著名期刊Nano Energy (2018, 53, 513-523)上，題為“A highly sensitive hybridized soft piezophotocatalyst driven by gentle mechanical disturbances in water”。

【圖文導讀】

圖一：壓電光催化劑的設計概念示意圖

壓電光催化劑的設計概念示意圖：半導體催化劑負載在改性石墨烯/聚偏氟乙烯-六氟丙烯多孔復合薄膜上。

圖二：柔性多孔薄膜制備流程圖及電性能

（a）柔性供電薄膜rGO-F/PVDF-HFP的制備流程圖；

（b-c）多孔PVDF-HFP的SEM；

（d-e）多孔rGO-F/PVDF-HFP的SEM；

（f）復合薄膜的FTIR；

（g）復合薄膜在外力作用下的電流值；

（h）重復性實驗中的電流值分布；

（i）在外力作用后復合薄膜的開路電壓隨時間變化情況；

（j）多孔rGO-F/PVDF-HFP在受力和力釋放的過程中，短路電流和開路電壓隨時間的變化情況；

（k）多孔PVDF-HFP和（l）多孔rGO-F/PVDF-HFP在不同轉速的水流作用下產生開路電壓的情況；

（m）多孔rGO-F/PVDF-HFP在一定水流作用下產生的開路電壓放大圖。

圖三：壓電光催化劑的性能研究

（a-l）分別是TiO₂@rGO-F/PVDF-HFP、BiOI@rGO-F/PVDF-HFP和CdS@rGO-F/PVDF-HFP壓電光催化劑的形貌和PFM；

（m）是三種壓電光催化劑催化實驗過程示意圖；

（n）TiO₂@rGO-F/PVDF-HFP壓電催化劑在紫外光下降解MO性能研究；

（o）BiOI@rGO-F/PVDF-HFP壓電光催化劑在室內光下降解MO性能研究；

（p）CdS@rGO-F/PVDF-HFP壓電光催化劑在可見光下產氫性能研究。

圖四：光催化性能提升機理研究

（a）rGO-F/PVDF-HFP多孔薄膜在無光條件下的產氫性能研究；

（b）BiOI@rGO-F/PVDF-HFP壓電光催化劑在無光條件下降解MO性能研究；

TiO₂中（c）Ti和（d）O在功能襯底上的XPS；BiOI中（e）Bi和（f）I在功能襯底上的XPS；CdS中（g）Cd和（h）S在功能襯底上的XPS；

（i）多孔薄膜提升光催化性能機理示意圖。

圖五：電化學模擬實驗

（a-c）TiO₂、（d-f）BiOI和（g-i）CdS的C-V曲線、光電流和阻抗圖；

（j）TiO₂和（k）BiOI分別做電極時MO的C-V曲線。

【小結】

制備的改性石墨烯/聚偏氟乙烯-六氟丙烯多孔薄膜可以有效的將水流弱力轉換成電能，并對外產生周期性電場；在柔性多孔薄膜的作用下，TiO₂、BiOI和CdS的光催化性能分別提高300％、21％和400％。認為是復合薄膜產生的周期性電場使得半導體催化劑電子空穴分離效率提升，進而提高復合體系催化性能。

文獻鏈接：Wangshu Tong, Yihe Zhang*, Hongwei Huang*, Ke Xiao, Shixin Yu, Yan Zhou, Leipeng Liu, Haitao Li, Lei Liu, Tao Huang, Min Li, Qian Zhang, Ruifeng Du, Qi An*. A highly sensitive hybridized soft piezophotocatalyst driven by gentle mechanical disturbances in water. Nano Energy, 2018, 53, 513–523.