J. Mater. Chem. A：雙壓電增強效應高效促進載流子分離

【導讀】

壓電材料與光催化材料的復合可以提高催化降解效率。壓電材料的壓電極化會在復合界面上吸引帶有相反電荷的光生載流子，可解決光生載流子復合率較高的問題。然而，內部靜電場容易被內外屏蔽效應飽和，削弱其對光催化的增強作用。因此，打破電場屏蔽效應的關鍵是電場的持續變化，雙壓電場的共同干擾可能會更好地打破屏蔽。此外，壓電光催化性能的提高主要源自催化劑的界面效應。因此，界面和可變的壓電場是分離光生載流子的關鍵。

【成果掠影】

來自西安理工大學湯玉斐團隊設計了一種具有大量復合界面的松針狀BaTiO₃/ZnO連續納米纖維，并研究了雙壓電增強體系對光生載流子分離的促進作用。研究通過靜電紡絲和浸漬輔助水熱處理將BaTiO₃納米纖維和ZnO納米棒結合，制備出一種松針狀BaTiO₃/ZnO連續納米纖維壓電光催化劑。在紫外光照射和超聲處理下，一維形態的松針狀BaTiO₃/ZnO連續納米纖維可有效響應超聲能量，BaTiO₃納米纖維和ZnO納米棒可發生形變，產生內建電場，加速復合界面載流子的持續分離。同時，BaTiO₃和ZnO形成的壓電場可以協同促進載流子的分離。并且，松針狀結構中大量的復合界面大大增加了反應位點。這種新型的松針狀連續納米纖維能高效降解有機分子，在水處理領域具有廣闊的應用前景。

相關論文以題為“Enhanced charge carrier separation by bi-piezoelectric effects based on pine needle-like BaTiO₃/ZnO continuous nanofibers”發表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。論文第一作者為西安理工大學博生生鄭婉星，通訊作者為西安理工大學湯玉斐教授，合作者還包括西安理工大學趙康教授。

【核心創新點】?

揭示了松針狀BaTiO₃/ZnO連續納米纖維的復合界面在壓電光催化反應中為主要反應位點。

證明了雙壓電材料在外力作用下產生的壓電場具有協同促進效應。

提出了壓電光催化體系中雙壓電增強光生載流子分離的機制。

【數據概覽】

圖1 BaTiO₃/ZnO連續納米纖維經不同濃度ZnO浸漬液預處理的表面形貌 (a) 0.02 mol/L (b) 0.04 mol/L ，(c) 0.06 mol/L。以及水熱處理12h后對應的松針狀BaTiO₃/ZnO連續納米纖維表面形(d), (e), (f)。

圖2 (a)BaTiO₃/ZnO連續納米纖維的物相組成， (b) HRTEM圖(插圖為TEM圖)，(c)松針狀BaTiO₃/ZnO連續納米纖維制備過程示意圖。

圖3 BTZ-0.06連續納米纖維的PFM圖像。(a)振幅圖；(b)相位圖；(c)振幅蝴蝶環；(d)相位滯后環。

圖4? (a)固定超聲功率為120 W時，紫外光照射和超聲處理下BaTiO₃/ZnO連續納米纖維降解RhB的曲線(c)不同實驗條件下BaTiO₃/ZnO連續納米纖維降解RhB的反應速率常數比較(b) BaTiO₃/ZnO連續納米纖維降解RhB壓電催化和光催化30min時的TOC比較， (d) h⁺(EDTA-2Na)和e^-(Cu(NO₃)₂·3H₂O)清除劑存在下BaTiO₃/ZnO連續納米纖維的壓電催化降解對應的反應速率常數。

圖5? (a)單根松針狀BaTiO₃/ZnO連續納米纖維，(b)超聲波處理下幾種形式的BaTiO₃/ZnO連續納米纖維，(c) ZnO、BaTiO₃、BTZ-0.06(不含PE)和BTZ-0.06連續納米纖維添加和不添加時的循環瞬態光電流曲線 (d)紫外光照射與超聲處理協同作用下BaTiO₃/ZnO異質結構能帶示意圖。

【總結與展望】?

綜上，作者報道了一種雙壓電增強光生載流子分離的松針狀BaTiO₃/ZnO連續納米纖維。在超聲的外力作用下，BaTiO₃和ZnO的不同變形方向或程度會導致壓電勢產生的初始時間不同，并且兩個壓電場將交替打破屏蔽并有效分離的光生載流子。與光催化相比，壓電光催化反應的速率常數增加了2.13倍。特別是，與純ZnO和BaTiO₃相比，反應速率常數分別增加了2.15次和2.98倍。此外，BaTiO₃/ZnO的壓電光催化反應速率常數顯著高于壓電和光催化反應速率常數的加和，證實了ZnO和BaTiO₃產生的壓電場會協同促進分離光生載流子的分離。本研究制備了一種雙壓電增強載流子分離的壓電光催化劑，可有效地降解有機污染物，為壓電光催化增強機制提供了一種新的思路。

文章鏈接：https://doi.org/10.1039/D2TA01578A

DOI：10.1039/D2TA01578A

本文由作者供稿