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

Cite this article:

Xu Y, Meng Y, Xiang X, et al. Modulating low-frequency tribocatalytic performance through defects in uni-doped and bi-doped SrTiO₃. Journal of Advanced Ceramics, 2024, https://doi.org/10.26599/JAC.2024.9220925

1、导读

摩擦起电是一种将机械能转化为电能的自然现象，通过摩擦过程诱导产生正负电荷。这些电荷分别与溶液中的氢氧根离子和溶解氧反应，生成活性自由基（如羟基自由基 、超氧自由基 ），从而将有机染料分子降解为二氧化碳和水，展现出显著的环保废水处理效果。

本研究提出的机理示意图。

在本研究中，通过对中心对称的SrTiO₃进行掺杂，晶格中产生了应力和缺陷，进而改变其电子结构和内电场，提升了摩擦催化性能，对这些机制进行了深入探讨。

2、研究背景

随着工业化进程的加速，染料废水成为严重的环境问题，亟需开发高效环保的催化剂和催化技术。摩擦催化作为一种新兴技术，通过机械能转化电能，无需化学药剂，避免二次污染。摩擦过程产生的电荷与自由基可有效降解有机染料，展现巨大潜力。虽然摩擦催化研究有限，但在这项研究中，我们采用中心对称的SrTiO₃材料，通过缺陷调控，实现了染料废水的高效降解，显著提升了摩擦催化性能。

3、文章亮点

本研究揭示了摩擦催化效率与催化剂电子结构的紧密关联。通过对SrTiO₃进行铑（Rh）和碳（C）的单掺杂与双掺杂处理，导致晶格收缩、应力形成，并产生显著的氧空位缺陷。在光照下，使用一个聚四氟乙烯磁力搅拌籽（8mm×20mm），以低频（20 Hz）对罗丹明B（RhB）染料废水进行降解，2小时内降解率达88%，反应速率常数为0.9 h⁻¹。相比文献中超声高频（40 kHz）条件下的研究，降解效果显著提升，且伴随蓝移现象。实验结果表明，当能带隙（Eg）接近3.0 eV时，摩擦催化效率最高。此外，掺杂引入的挠曲电场可能进一步增强催化性能，但仍受到材料电子结构的限制。

4、研究结果及结论

通过常规固相反应法，在1000 ℃成功合成了铑（Rh）和碳（C）单掺杂及双掺杂的SrTiO₃。从HRTEM和XRD图的精修结果中可以观察到，氧空位缺陷的存在导致了晶格收缩，从而引起晶格畸变，进而诱导出挠曲电内电场及电子结构的变化。 

在相同条件下进行的摩擦催化降解RhB实验中，结果显示无光照和有光照条件下，Rh掺杂的SrTiO₃的表现优于C或Rh@C掺杂的SrTiO₃。这进一步揭示了影响摩擦催化性能的因素具有多样性。对于本研究中的SrTiO₃，约3.0 eV的能带带隙及内电场的存在对摩擦催化性能的提升尤为显著。

5、作者及研究团队简介

通讯作者：张红芳

苏州科技大学物理科学与技术学院副教授。在同济大学获得博士学位后，2006年至2011年在香港理工大学应用物理系担任研究助理。2008年至2009年间，于浙江大学材料学院从事博士后研究。2018年，在美国宾夕法尼亚州立大学材料学院进行访问研究。主要研究方向为铁电功能材料，特别是铁电、压电、热电材料，以及用于有机染料光催化降解和二氧化碳还原的铁电半导体材料。以第一作者和通讯作者身份在《Nano Energy》、《Journal of Advanced Ceramics》、《Journal of the American Ceramic Society》、《Journal of the European Ceramic Society》、《Journal of Applied Physics》等期刊上发表了近40篇SCI收录论文，并拥有四项中国专利。

通讯作者：高炬

香港大学教授，主要研究领域：钙钛矿氧化物材料与薄膜功能材料与传感器。

主要研究成果：博士生导师，高炬教授1982年毕业于北京大学物理系，1985年在中国科学院物理研究所获硕士学位，导师为李林院士。1992年于荷兰Twente大学获博士学位，导师为H. Rogalla教授。1992至2018年任职于香港大学物理系，担任终身正教授。2012年担任苏州科技大学固态物理与材料研究中心主任，2018年至2023年全职受聘于枣庄学院，担任低维量子材料研究院院长，目前是苏州三色传感科技有限公司的首席科学家。高教授是凝聚态物理与氧化材料领域的国际知名专家，致力于钙钛矿氧化物材料与薄膜的研究，取得许多开创性成果。发表350多篇SCI论文，H因子为40，论文被引用超过6000次，拥有多项专利。曾入选江苏省双创人才等多个项目，荣获“枣庄英才”称号。他还担任多家SCI期刊的编委及国际学术会议主席，并在多个国际会议上作特邀报告，参与多国基金评审及担任SCI学术刊物审稿人。主持和完成了多个国家及省市重点科研项目。

《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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