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

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Xu X, Wang Y, Cheng W, et al. Thickness-regulated interfacial polarization in CTAB-tailored Bi₂WO₆ for enhanced piezocatalysis. Journal of Advanced Ceramics, 2026, https://doi.org/10.26599/JAC.2026.9221255

文章DOI：10.26599/JAC.2026.9221255

ResearchGate：Thickness-regulated interfacial polarization in CTAB-tailored Bi 2 WO 6 for enhanced piezocatalysis

一、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CTAB修饰Bi₂WO₆的厚度调控用于界面极化增强压电催化分解水产氢性能。

本研究工作主要是关于探究提高压电催化剂效率的方法。压电催化作为一种新兴的绿色能源转化技术，通过收集环境机械能驱动催化反应，在氢能制备与环境修复领域展现出巨大潜力。然而，传统压电陶瓷材料的催化效率长期受限于两个瓶颈：比表面积不足导致的活性位点稀缺，以及本征极化强度较弱引起的电荷迁移率低、复合率高。当前研究多局限于单一维度优化——或聚焦于纳米化以提升表面积，或致力于晶格调控以增强压电响应，鲜有工作能协同解决这两大挑战。本研究工作中借助形貌调控的双重优势，以CTAB为修饰剂，通过其选择性吸附抑制层堆叠，合成出2.26 nm原子级厚度的二维超薄Bi₂WO₆纳米片，不仅使比表面积翻倍至29.15 m² g⁻¹，还使界面极化能力增强至18.34 mV，有效压电系数从10.01提升至27.53 pm V⁻¹，材料最大单位功率产氢率达61.20 μmol g⁻¹ h⁻¹ W⁻¹。该策略为高效压电催化剂设计提供了新范式。

二、研究背景

形貌调控是提高比表面积（SBET）的有效策略，可通过暴露更多活性位点、提供充足的电荷-反应物作用场所来增强催化性能。大量研究表明，通过调控催化剂片状结构暴漏更多的活性位点来提升催化性能。然而对于压电催化反应来说，材料极化能力与其催化过程息息相关，目前鲜少有利用形貌调控协同增加反应位点与提升界面极化性能以得到更优的压电催化性能。因此，能否通过形貌调控实现暴漏更多反应活性位点的同时还可以增强材料压电性能是目前压电催化领域亟需尝试并解决的关键科学问题。

三、文章亮点

1）利用CTAB合成原子级厚度（约 2.26 nm）的二维超薄钨酸铋（Bi₂WO₆）纳米片；

2）经CTAB介导的形貌调控，Bi₂WO₆比表面积翻倍至29.15 m² g⁻¹；

3）Bi₂WO₆界面极化能力增强至18.34 mV，有效压电系数从10.01提升至27.53 pm V⁻¹。

四、研究结果及结论

基于此，本项工作中报道了通过CATB辅助水热合成法，通过调整CTAB的添加量，制备出不同厚度的钨酸铋纳米片，实现对材料活性位点以及界面极化能力的双重调控，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XRD等定性分析了CTAB改性前后BWO纳米片的微观结构以及形貌变化；并结合原子力显微镜（AFM）图像及对应高度剖面图表明，CTAB改性BWO纳米片的最小厚度达到纳米级，约为2.26 nm。

图1 (a) X射线衍射(XRD) 图谱及(b) 局部放大XRD图谱；(c、d) CTAB改性前后BWO的扫描电子显微镜(SEM) 图像；(e-h) 铋(Bi)、钨(W)、氧(O)、溴(Br)元素的能量色散X射线光谱仪(EDS) 元素分布图，插图为对应SEM图像；(i)电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS) 测定的CTAB改性前后BWO中各元素含量；(j) 高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像，(k) CTAB改性后BWO的球差校正扫描透射电子显微镜(STEM)图像，插图为结构模型图；(l)结构模型放大图；(m) CTAB改性后BWO的原子力显微镜(AFM) 图像及对应厚度

2）通过XPS光谱（图2a e）对所制备样品的表面元素组成和电子态进行了分析；并利用BET评估CTAB的改性效果，发现经CTAB改性的BWO比表面积（S_BET）几乎翻倍。这种S_BET的显著提升有望通过暴露更多活性位点、提供更大的电荷-反应物作用界面，从而增强压电催化活性。

图2(a) CTAB改性前后BWO的X射线光电子能谱(XPS)全谱图；(b) Bi 4f、(c) W 4f、(d) O 1s及Br 3d的高分辨XPS图谱；(f) CTAB改性前后BWO的比表面积(S_BET)分析

3）结合PFM测试结果得出CTAB修饰后的BWO压电性能明显提升，为形貌调控显著提升材料内部极化能力提供了直接证据。

图3 (a, b) 压电响应力显微镜(PFM)振幅图像。插图为对应的原子力显微镜(AFM)图像。(c) 振幅分布直方图。(d, e) PFM相位图像。(f) 相位角分布直方图。(g, h) 局部压电滞回环，以及(i) CTAB修饰前后BWO的PFM振幅曲线

4）利用KPFM测试出CTAB改性后对表面电势的影响；结合Mott-Schottky、EIS表征分析得出，经CTAB修饰后的BWO内部载流子浓度会明显增加，且会促进压电正负电荷的分离和迁移。

图 4(a, b)CTAB 改性前后的 BWO 表面接触电位差(CPD)。插图为相应的 AFM 图像；(c) 沿(a, b)中线条的表面 CPD；(d, e) 莫特-肖特基曲线；(f) 载流子浓度(N_d)；(g) 有/无BWO振动时的ΔN_d变化；电化学阻抗谱(EIS)奈奎斯特曲线；(h) BWO，(i) 0.3 g CTAB-BWO（有/无振动）

5）通过对比不同牺牲剂、CTAB引入量的钨酸铋压电催化水分解产氢性能发现，MeOH作为牺牲剂平均氢气生成效率最高，且引入一定量的CTAB可以有效促进载流子分离，其中最优平均产氢速率可达553.50 μmol g^–1 h^–1，效率提升约为10.2倍。然而当CTAB引入量过高时，可能会在催化剂表面过度积累，从而阻塞了活性反应位点，使得压电催化产氢效率大大降低。此外，经压电条件优化后的BWO的压电催化产氢效率得到进一步提升，可达61.20 μmol g^-1 h^-1 W^-1，这是迄今为止报道的最高值之一。由水热法引入的CTAB由于Br⁻吸附到表面引起的价带最大值的向上移动能够有效引起钨酸铋材料带隙变窄，更利于电荷的分离。

图 5 (a)不同牺牲剂作用下的压电催化析氢速率；(b) 不同CTAB改性质量后的析氢速率；(c) 不同振动时间下的压电催化产氢量以及(d) 悬浮/不悬浮状态下的平均产氢速率；(e) 不同催化剂的压电催化产氢效率对比；(f) 紫外-可见光谱；(g) Tauc图；(h) BWO 压电催化析氢反应的机理图

目前为止，鲜少有利用形貌调控协同增加反应位点与提升界面极化性能以得到更优的压电催化性能的相关报道。这项工作展示了形貌调控的协同策略，以暴露更多表面反应活性位点和增强压电响应，为构建“高表面-强极化”一体化压电催化剂提供了普适性的形貌工程策略。

《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，清华大学新型陶瓷材料全国重点实验室提供学术支持，创刊主编为中国工程院院士、清华大学李龙土教授，主编为中国科学院院士、清华大学林元华教授、苏州国家实验室周延春教授、广东工业大学林华泰教授和哈尔滨工业大学张幸红教授。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，2025年发文量为202篇；2025年6月发布的影响因子为16.6，连续5年位列Web of Science核心合集“材料科学，陶瓷”学科33种同类期刊第1名；2024年11月入选“中国科技期刊卓越行动计划二期”英文领军期刊项目；2025年入选中国科学院文献情报中心期刊分区表材料科学1区Top期刊。2023年起，本刊结束与国际出版商的合作，改由清华大学出版社自主研发、拥有自主知识产权的科技期刊国际化数字出版平台SciOpen独家发布，标志着该刊结束多年来“借船出海”的办刊模式，回归本土独立运营，也是我国优质英文期刊中最早回归国产平台的期刊之一。

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