原文出自 Journal of Advanced Ceramics (先进陶瓷)期刊

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Wang Y, Xu X, Xiao L, et al. Balancing the piezoelectric coefficient and carrier concentration of Bi₂WO_6−x for ultrahigh piezocatalysis. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220970. 

文章DOI：10.26599/JAC.2024.9220970

ResearchGate：https://www.researchgate.net/publication/384088641_Balancing_the_piezoelectric_coefficient_and_carrier_concentration_of_Bi_2_WO_6-_x_for_ultrahigh_piezocatalysis

1、导读

近日，来自中国计量大学陈达教授和秦来顺教授联合团队研究了平衡压电系数和载流子浓度用于氧空位调控的钨酸铋高效压电催化分解水产氢，相关成果在Journal of Advanced Ceramics 在线发表。

平衡材料的压电系数和载流子浓度是压电催化领域的关键。本文选择了同时具有压电性能和半导体性能的Bi₂WO₆材料作为模型材料。采用一步溶剂热法合成了具有氧空位的Bi₂WO_6-x。通过控制溶剂热时间和温度，调节氧空位浓度（C_OV）。随着C_OV的增加，压电系数减小，载流子浓度增加，产氢呈火山型趋势。每功率最佳产氢速率可达2.21 μmol g^-1 h^-1 W^-1。压电系数和载流子浓度作为两个因素共同决定了压电催化性能。本研究结果可为构筑更高效的压电催化剂提供理论参考。

2、研究背景

缺陷工程可通过引入原子缺陷来调节材料的电学性能，是一种提高材料载流子浓度的有效方法。很多研究者通过引入氧空位来提升材料载流子浓度、促进载流子的分离和输运、增加表面反应位点，从而提升催化反应活性。然而氧空位的引入可能会影响铁电材料内部电偶极子的有序排列，从而在一定程度上破坏其压电性能。因此，如何平衡好材料的压电系数和载流子浓度是目前压电催化领域亟需解决的关键科学问题。

3、文章亮点

1、首次揭示了压电催化过程中压电系数与载流子浓度之间的内在关系机理。

2、压电系数与载流子浓度作为跷跷板的两端共同决定了压电催化性能。

3、每功率的最佳产氢速率是2.21 μmol g^-1 h^-1 W^-1，与大多数已报道的压电催化剂相当甚至更好。

4、研究结果及结论

基于此，作者报道了采用一种简便的一步溶剂热，即通过调整乙二醇辅助溶剂热反应的时间和温度，制备了具有不同氧空位浓度的Bi₂WO_6-x纳米颗粒，实现对材料压电系数和载流子浓度的调控，从而探究两者关系对压电催化性能的影响。所获得的研究成果如下：

1）结合EPR定量计算了氧空位的含量，由PFM幅压曲线得出引入氧空位会抑制压电材料的压电性能。

图1(a) EPR光谱和(b) 分别计算了Bi₂WO₆、Bi₂WO_6-x-1、Bi₂WO_6-x-2、Bi₂WO_6-x-3的氧空位浓度；(c-d) Bi₂WO₆和Bi₂WO_6-x-2的PFM振压曲线；(e) Bi₂WO_6-x样品压电系数的计算；(f) 压电系数与氧空位浓度的关系 

2）结合Mott-Schottky、EIS、Piezo-current表征分析得出，氧空位的引入会增加材料内部载流子浓度，促进压电正负电荷的分离和迁移。

图2(a) 莫特-肖特基曲线和(b) 计算的Bi₂WO_6-x的载流子浓度；(c) 阻抗曲线和(d) 压电流变化情况

3）通过对比不同氧空位浓度的钨酸铋压电催化水分解产氢性能发现，引入一定浓度的氧空位可以有效促进载流子分离，其中最优平均产氢速率可达157 μmol g^–1 h^–1。然而当氧空位浓度过高时，部分氧空位将成为捕获中心，导致电荷重组，大大降低压电催化产氢效率。

图3(a) 不同溶剂热反应时间和温度下合成的Bi₂WO_6-x的压电催化制氢效率；(b) Bi₂WO_6-x-3在不同退火时间下随超声时间变化的产氢量；(c) Bi₂WO_6-x-3在不同退火时间下产氢速率的变化情况；(d) Bi₂WO_6-x-3退火0、2、4、6 h后的EPR信号；(e) Bi₂WO_6-x-2在不同超声功率和(f) 有无MeOH条件下的产氢速率

4）由溶剂热法引入的氧空位能够有效引起钨酸铋材料带隙变窄，其中Bi₂WO_6-x-2经过氧空位调节后的CB比Bi₂WO₆更负，从而使产氢效率更高。虽然氧空位的引入会由于畴壁钉扎效应和屏蔽效应而削弱Bi₂WO₆的压电响应，但材料的载流子浓度会增加。当氧空位浓度达到1.45×10¹² spins mg^-1时，对应的压电系数和载流子浓度分别为13.9 pm V^-1和2.90×10²⁰ cm^-3。每功率最佳产氢速率为2.21 μmol g^–1 h^–1 W^–1，与大多数已报道的压电催化剂相当甚至更好。

图4 Bi₂WO₆和Bi₂WO_6-x-2的(a) 紫外-可见漫反射光谱。插图是样品的彩色对比和Tauc图；(b) Bi₂WO₆和Bi₂WO_6-x-2的能带示意图；(c) 压电催化制氢反应示意图；(d) 压电系数、载流子浓度与压电催化性能作为氧空位浓度的函数关系图

目前为止，关于揭示压电系数与载流子浓度对压电催化性能影响的内在机理的报道很少见。本文揭示了平衡压电系数和载流子浓度的内在相关机理，增强了压电催化水分解制氢性能，为将来开发高效、稳定、低碳排放的压电催化材料提供新的设计思路。

《先进陶瓷（英文）》（Journal of Advanced Ceramics）期刊简介

《先进陶瓷（英文）》于2012年创刊，清华大学主办，清华大学出版社出版，由清华大学材料学院新型陶瓷与精细工艺国家重点实验室提供学术支持，主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授。该刊主要发表先进陶瓷领域的高质量原创性研究和综述类学术论文，涉及先进陶瓷的制备、结构表征、性能评价的各个细节，尤其侧重新材料研制和先进陶瓷基础科学研究等重要方面，致力于在世界先进陶瓷领域搭建学术交流平台，引领和促进先进陶瓷学科的发展。已被SCIE、Ei Compendex、Scopus、DOAJ、CSCD等数据库收录。现为月刊，年发文量近200篇，2024年6月发布的影响因子为18.6，位列Web of Science核心合集中“材料科学，陶瓷”学科31种同类期刊第1名。2019年入选“中国科技期刊卓越行动计划”梯队期刊项目。

期刊主页：https://www.sciopen.com/journal/2226-4108

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