黃洪偉&張以河課題組丨Angew. Chem. Int. Ed. : 通過宏觀極化增強促進光和壓電誘導的電荷分離和氧活化反應

【引言】

分子或離子氧活化成為活性氧物種，如超氧自由基（·O₂^-）, 羥基自由基（·OH）, 單線態氧（¹O₂）等作為高活性、綠色的氧化劑在環境化學和生物化學中發揮至關重要的作用。特別是·OH，具有最強的氧化能力和非選擇性，可以分解一切有機物和生物分子。當前活性氧物種主要通過光催化反應產生，由于在這個過程中光生電荷的快速復合（皮秒級別），使得光催化活性物種產率極大受限。因此提高光催化過程的活性物種產出效率以及開發新的活性氧制備途徑具有重要意義。壓電材料是一類力電可逆轉換材料，被廣泛應用于各類電子器件中。當施加機械力在壓電材料上時，可以使其體內各原子發生極化，從而誘導產生極化電荷/電勢。能否利用壓電產生的極化電荷/電勢驅動氧活化反應是一項很值得探索的課題。

【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黃洪偉張以河課題組近期在Angew. Chem. Int. Ed.上發表了一篇題為Macroscopic Polarization Enhancement Promoting Photo- and Piezoelectric-Induced Charge Separation and Molecular Oxygen Activation的文章。文中報道了以同時具有光響應和壓電響應的非中心對稱極化材料BiOIO₃為研究目標，通過利用半徑相近、電荷相等的V⁵⁺離子取代其IO₃多面體中I⁵⁺離子，以增強BiOIO₃材料的宏觀極化能力，從而使得其在光催化和壓電催化過程中的電荷高效分離，最終大幅提升BiOIO₃分別在光和壓電激發誘導下的氧活化產出·O₂^-和·OH性能。

【圖文導讀】

圖1?BiOIO₃和V摻雜BiOIO₃的物相及結構表征

（a）BiOIO₃和V摻雜BiOIO₃（BiOI_0.926V_0.074O₃）的XPS圖譜；

（b）拉曼光譜；（c）V-BiOIO₃的XRD粉末結構精修圖譜；

（d）XAFS圖及其傅立葉變換曲線；

（e、f、g、i）TEM圖像；

（h）BiOIO₃晶胞結構示意圖。

圖2?不同光源下光催化活性氧物種產出檢測

（a、c）超氧自由基特征峰ESR圖譜；

（b、d）羥基自由基特征峰ESR圖譜。

圖3?光降解及光電(化學)性能測試

（a、b）不同光源下光降解速率柱狀圖；

（c）紫外光激發下的光電流圖譜；

（d）光電壓圖譜。

圖4?宏觀極化和超聲輔助的壓電催化氧活化性能

（a、b）V-BiOIO₃（BiOI_0.926V_0.074O₃）沿不同方向晶體結構及極化方向示意圖；

（c）粉末倍頻效應圖譜；

（d）超聲輔助的壓電催化氧活化示意圖；

（e、f）活性氧物種產率曲線。

【小結與展望】

材料宏觀性能主要由其內在的晶體結構所決定的，因此通過的一定的晶體結構設計手段可以對材料的宏觀性能進行有效調控。在本文中，通過對同時具有光響應和壓電響應的非中心對稱極化材料BiOIO₃進行離子取代晶體結構改性增強其IO₃多面體微觀極化，通過極化疊加進而提高BiOIO₃晶體的整體宏觀極化能力，使其在光和壓電誘導下的電荷得到高效分離，從而光催化和壓電催化氧活化反應活性都大幅提升，產生豐富的活性氧物種。本文不僅為多通道催化分子/離子氧活化研究提供參考，而且提出以宏觀極化增強手段同時高效促進光催化和壓電催化性能。此外，該晶體結構設計策略有望拓展應用到鋰電、超級電容器等其他研究領域。

文獻鏈接：Macroscopic Polarization Enhancement Promoting Photo- and Piezoelectric-Induced Charge Separation and Molecular Oxygen Activation (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201706549)

本導讀由材料人特邀編輯吳禹翰約稿、編輯、校對并發表。未經授權不得轉載。