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博文

综述:压电材料如何控制电化学反应系统?

已有 869 次阅读 2020-10-22 23:26 |系统分类:论文交流

Piezoelectric Materials for Controlling Electro-Chemical Processes
Weiqi Qian, Weiyou Yang*, Yan Zhang, Chris R. Bowen*, Ya Yang*
Nano‑Micro Lett.(2020)12:149
https://doi.org/10.1007/s40820-020-00489-z

本文亮点

1. 回顾了基于多种压电材料的压电-电化学耦合系统的最新研究进展。

2. 比较了各个压电-电化学耦合系统的操作条件以及电化学性能。

3. 描述了发展压电-电化学耦合系统的挑战、未来方向与应用。

内容简介

压电材料因其能够将机械振动有效地转化为电能,或者将电能转化为机械应变已经被研究了一百余年,并被广泛应用于传感器、换能器、震荡器等。近年来,压电材料被应用于众多电化学反应中,这样的耦合系统利用压电产生的电荷或电压操控电化学反应体系。宁波工程学院杨为佑研究员、英国巴斯大学Chris R. Bowen教授及中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员团队回顾并系统总结了近年来基于压电材料的压电-电化学耦合系统的研究成果。电化学反应通过外部电源驱动,目前和发电用的电化学过程的耦合是一个热点话题。大规模的可再生和清洁的太阳能和风能等,将其转换成电能用于驱动电化学过程。而较小规模的局部能量,如在微瓦到毫瓦的范围内的机械能,可以通过基于压电材料的系统收集并利用。在近几十年中,压电场已被用来控制化学催化速率、金属腐蚀速率、自充电系统以及其他电化学工艺。压电和电化学的耦合体系被称为压电-电化学耦合系统,这是一种通过机械应力所产生的压电感应电荷或电势差来操控电化学反应系统的途径。

压电材料和外部条件影响电化学系统的程度引起了人们的极大兴趣。为了获得高的压电输出,优选具有高纵横比的材料以在相同机械载荷下获得最佳变形;利用具有特定谐振频率的压电材料来收集针对不同实际应用的不同频带范围内的机械振动。这些因素为选择用于实验设计的压电材料提供了可靠的指导。高纵横比的材料最好在机械载荷下获得最佳变形。另外,可以利用具有特定谐振频率的压电材料来收集针对不同实际应用的不同频带范围内的机械振动。这些因素为选择用于实验设计的压电材料提供了可靠的指导。

本文将重点放在用于控制电化学过程的压电材料上,详细解释了压电-电化学的工作机制与影响条件,概述了压电材料的基本特性,并比较了工作条件和电化学性能。与此同时,我们还展望了基于压电-电化学耦合系统的未来发展方向和挑战。

图文导读

压电控制电化学的机理

在典型的压电-电化学反应过程中,电荷转移机理可以描述如下。当在没有外部施加的机械力时,压电材料保持平衡,表面能带处于准静态。当仅受到机械振动时,压电会导致极化变化,这会在压电材料中产生压电感应的电场,从而导致电荷载流子在材料的不同端部重新定向。无论是可占用电子态还是表面能带都会被这些在材料不同侧上积累的电荷而影响。特别需要注意的是,反应系统的温度必须超过0 K,这样可以热激发压电半导体产生分离的电子-空穴对。上述可占据的电子态和弯曲能带将热激发的分离的电子-空穴对引导至材料的表面,它们可参与氧化和还原反应,以生成用于电化学过程的活性物质。当材料表面上累积的电荷抵消内置电场时,系统将返回平衡水平。反向的极化变化导致电荷的反向积累和电子-空穴对的反向转移。

图1. 压电控制电化学的机理 (a) BTO-PDMS压电催化效应示意图;(b) 附着在BTO纳米立方体两个相对表面上的Ag2O中电荷载流子分离和转移的示意图。(c) 整个PEC系统的能带图。

II 电化学过程中的压电材料

典型的压电材料可分为压电/铁电钙钛矿材料、纤锌矿氧化锌材料、层状过渡金属二硫属化物的压电材料、有机压电材料和生物压电材料。除了压电系数,具有不同形态的每种材料都有各自的优点。具有高纵横比的压电材料以在机械载荷下获得最佳变形,这可以实现较高的压电输出。通常具有高纵横比的纤维和片材形式的材料有利于引起高压电输出。此外,一些纳米花等结构表面形貌具有较高的比表面积,这使得压电材料与溶液介质之间的接触面积较大,从而可以改善压电-电化学性能。另外,散装和颗粒材料在材料制备中具有优势。

图2. 用于电化学过程的压电材料的不同形貌(a) PZT纳米线的 TEM。(b) BFO方形微片的SEM图像。(c) 水热BTO纳米线,水热BTO纳米颗粒和商业BTO纳米颗粒的SEM图像。(d) 不锈钢网上ZnO纳米线阵列的SEM图。(e) ZnO纳米线的SEM图像。(f) Ag2O/T-ZnO纳米结构的SEM图像。(g) MoS2纳米花的TEM图像。(h) WS2纳米花的SEM图像。(i) MoSe2纳米花的SEM图像。(j)  PVDF中孔纳米结构薄膜的SEM图像(k) PVDF表面图像。

III 压电-电化学过程及其应用 

我们将研究在压电电化学过程分类为选择性沉积、水分解产氢、催化降解染料和脱氯、自充电电池和其他应用。

图3. (a-c) 选择性沉积(d-f) 水分解产氢。

图4. 催化降解染料和脱氯。

图5. 自充电电池。

作者简介

杨为佑 研究员,博士生导师

本文通讯作者

宁波工程学院

主要研究领域

要从事无机非金属半导体低维材料的可控合成、性能及其器件应用基础研究

主要研究成果

先后主持承担国家重点研发计划(973计划)前期研究专项1项、国家自然科学基金6项、浙江省杰出青年科学基金1项等;迄今在Chem. Soc. Rev.、Prog. Mater. Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Adv. Energy Mater.等发表SCI论文150余篇(SCI一区top期刊封面论文12篇);授权国家发明专利70余件;应邀参与撰写国际专著章节2部。现为“一带一路”工学院联盟秘书长,“第三代半导体低维材料与器件”浙江省高校高水平创新团队负责人,国内外50余个知名期刊的论文评审/仲裁专家。
Email: weiyouyang@tsinghua.org.cn

Chris R. Bowen 教授,博士生导师

本文通讯作者

英国巴斯大学

主要研究领域

能量收集,铁电和功能陶瓷。

主要研究成果

在国际杂志Chem. Soc. Rev.、Energy & Environmental Science、Advanced Materials和Joule等杂志上发表SCI学术论文>230篇,发表会议论文>50篇,出版专著5部。论文总引用数11000余次,H因子53 (Google Scholar)。担任多个基金评审专家:NSF、美国能源部、德国研究基金会、卢森堡科学基金等;为多个杂志审稿:Science, Nature Energy, Nature Materials Reviews等。
Email: C.R.Bowen@bath.ac.uk

杨亚 研究员,博士生导师

本文通讯作者

中科院北京纳米能源与系统研究所

主要研究领域

复合与耦合纳米发电机;自驱动传感器;铁电材料制备与器件

主要研究成果

中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究员,博士生导师,微纳能源与传感实验室负责人。在微纳能源与传感研究方面,取得了具有国际重要影响力的原创性和开创性研究成果。以构建高性能多效应耦合纳米发电机和高精度自供电传感器阵列为目标,从铁电纳米材料的设计和可控制备出发,探索力-热-光耦合效应对纳米发电机的调制机理,在新型复合与耦合纳米发电机的设计和集成、基于纳米发电机的自驱动传感器、柔性大规模传感阵列等领域取得了重要进展。在国际杂志Science Advances、Energy & Environmental Science、Advanced Materials和Advanced Energy Materials等杂志上发表SCI学术论文170余篇(IF>12: 100余篇)。研究结果被各类著名国际学术媒体如Nature Photonics、Science Daily、Phys.org、Nanotechweb.org等作为亮点报道。论文总引用数10000余次,H因子60 (Researcher ID的数据)。已授权美国专利1项,申请和授权的中国专利40余项。获2018年国家自然科学二等奖[第四完成人],博士论文被评为2013年全国百篇优秀博士学位论文。担任国际学术会议分会主席5次,Nano-Micro Letters、iScience、Scientific Reports、Nanomaterials和Energies杂志编委委员,被邀请做过50多次学术演讲或邀请报告。主持或参与国家重点研发计划项目、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、中科院国际合作交流项目等10余项基金课题。
Email: yayang@binn.cas.cn

撰稿:原文作者

编辑:《纳微快报》编辑部

关于我们

Nano-Micro Letters《纳微快报》是上海交通大学主办、Springer Nature合作开放获取(open-access)出版的英文学术期刊,主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, commentary, perspective, letter, highlight, news, etc),包括微纳米材料的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、吸波、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、SCOPUS、DOAJ、CNKI、CSCD、知网、万方、维普等数据库收录。2019 JCR影响因子:12.264。在物理、材料、纳米三个领域均居Q1区(前15%)。2019 CiteScore:12.9,材料学科领域排名第4 (4/120)。中科院期刊分区:材料科学1区TOP期刊。全文免费下载阅读(http://springer.com/40820),欢迎关注和投稿。

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1 强涛

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