压电光催化介绍

在一般光催化反应中，由于光生电荷载流子的快速复合，光催化效率通常较低。为解决这一问题，结合压电和光催化性质的压电光催化在水分解、有机物污染物降解等研究领域表现出较好的优越性。压电效应是通过将机械能（如风、潮汐、水流等）转换为化学能，以驱动压电催化剂表面的氧化还原反应。压电效应所产生的压电势不仅能够促进电荷的分离和转移，还能够调节电荷载流子的能量，从而在热力学上促进催化反应的进行。本文将主要介绍压电实验的过程与机制。

压电实验过程

压电催化的具体实验过程因不同研究方向及不同种类压电材料各不相同。此处以中山大学李满荣教授和王梦晔教授课题组的压电催化水分解[1]实验为例：

该实验过程由三部分组成，气体控制部分、压电效应发生部分和产物检测部分。

首先，将合成的压电催化剂分散在含30 mL去离子水的石英玻璃反应器，使用多气氛控制器将装有水悬浮液的石英玻璃反应器抽真空并氩气洗气10次左右，目的是去除反应器中的空气。

接着，将石英玻璃反应器放置在240 W、68 kHz的超声器中，保持反应温度在25 °C。

最后，每30 min使用注射器吸取0.4 μL气体产物，并通过气相色谱仪分析氢气含量。液体产物H₂O₂定期从石英玻璃反应器中取出1 mL溶液，离心去除压电催化剂，通过使用N,N-二乙基-p-苯二胺（DPD）-辣根过氧化物酶（POD）法量化分析。

由该例可知，实验中的压电效应是由对压电材料施加机械应力（超声波）而实现的。压电光催化在此系统中加配光源照射样品即可。

图1 压电光催化示例图[2]

压电光（压电）催化效率和机制

根据文献[3,4]中实验结果表明，在机械应力（超声波）和光照的同时作用下，催化剂展现出显著增强的光催化效率。其增强机制是由于机械应力（超声波）作用，压电光催化材料形成极化电偶层，产生内置电场。在光照条件下，光生电子和空穴在内置电场的驱动下向相反方向移动，从而有效地分离并增强了催化性能。超声波的应用周期性地改变了极化方向，防止压电极化电荷被电解液中的载流子复合，从而提供了促进电荷的分离和转移的驱动力。

图2 压电光催化机理示意图[4]

影响压电催化实验影响因素

影响压电效应的因素有很多，例如压电材料性能，超声波功率强度，反应时间和pH值、压电催化反应器的设计等等。压电材料的压电系数对压电效率有显著影响，性能优异的材料能在机械应力作用下产生更强的电场而促进电荷的分离和转移。超声波激发的机械应力可诱导压电催化剂产生周期性的压电极化，该动态极化有助于外部屏蔽电荷的吸附和解吸，而维持压电场的驱动力，实现了持续的氧化还原反应。其中，压电催化反应器的设计尤为重要，合理的反应器设计需满足以下条件：

• 应优化反应器内部物理条件，如温度、压力和传质，从而提高催化剂的活性和选择性；

• 应根据催化剂的分布、形状和尺寸确保催化剂和反应物之间要充分接触，以提高反应速率；

• 应选用稳定耐用的材料，保障长期的可靠性，因为反应器在运行中可能会遇到机械应力和化学腐蚀；

• 应考虑反应器从实验室到工业规模的可扩展性，这包括反应器的尺寸、材料成本和制造工艺等；

• 应包含有效的监控和控制系统，精确控制操作条件如温度、pH值和反应物浓度，确保反应在最佳条件下进行。

泊菲莱可提供光催化反应器定制服务，反应器可满足“结构坚固，取样简单，适合不同形态产物取样检测”等特点。

写在最后：

压电光（压电）催化作为一种结合了压电效应和光催化作用的技术，通过探索最佳机械应力和压电光催化材料，在能源转换、环境治理和生物医学等领域将会展现出巨大的潜力。

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参考文献

[1] MA Y, WANG B, ZHONG Y, et al. Bifunctional RbBiNb2O7/poly(tetrafluoroethylene) for high-efficiency piezocatalytic hydrogen and hydrogen peroxide production from pure water [J]. Chemical Engineering Journal, 2022, 446

[2] LIANG F, WU S, CHEN Z, et al. Piezoelectric Effect Enhanced Photocatalytic Activity of Pt/Bi0.4Gd0.6Ti6O12 Plasmonic Photocatalysis [J]. Nanomaterials, 2022, 12(7):

[3] WANG B, ZHANG Q, HE J, et al. Co-catalyst-free large ZnO single crystal for high-efficiency piezocatalytic hydrogen evolution from pure water [J]. Journal of Energy Chemistry, 2022, 65(304-11).

[4] WANG M, ZUO Y, WANG J, et al. Remarkably Enhanced Hydrogen Generation of Organolead Halide Perovskites via Piezocatalysis and Photocatalysis [J]. Advanced Energy Materials, 2019, 9(37):