J. Mater. Chem. A：双压电增强效应高效促进载流子分离

【导读】

压电材料与光催化材料的复合可以提高催化降解效率。压电材料的压电极化会在复合界面上吸引带有相反电荷的光生载流子，可解决光生载流子复合率较高的问题。然而，内部静电场容易被内外屏蔽效应饱和，削弱其对光催化的增强作用。因此，打破电场屏蔽效应的关键是电场的持续变化，双压电场的共同干扰可能会更好地打破屏蔽。此外，压电光催化性能的提高主要源自催化剂的界面效应。因此，界面和可变的压电场是分离光生载流子的关键。

【成果掠影】

来自西安理工大学汤玉斐团队设计了一种具有大量复合界面的松针状BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维，并研究了双压电增强体系对光生载流子分离的促进作用。研究通过静电纺丝和浸渍辅助水热处理将BaTiO₃纳米纤维和ZnO纳米棒结合，制备出一种松针状BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维压电光催化剂。在紫外光照射和超声处理下，一维形态的松针状BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维可有效响应超声能量，BaTiO₃纳米纤维和ZnO纳米棒可发生形变，产生内建电场，加速复合界面载流子的持续分离。同时，BaTiO₃和ZnO形成的压电场可以协同促进载流子的分离。并且，松针状结构中大量的复合界面大大增加了反应位点。这种新型的松针状连续纳米纤维能高效降解有机分子，在水处理领域具有广阔的应用前景。

相关论文以题为“Enhanced charge carrier separation by bi-piezoelectric effects based on pine needle-like BaTiO₃/ZnO continuous nanofibers”发表在Journal of Materials Chemistry A期刊上。论文第一作者为西安理工大学博生生郑婉星，通讯作者为西安理工大学汤玉斐教授，合作者还包括西安理工大学赵康教授。

【核心创新点】 

揭示了松针状BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维的复合界面在压电光催化反应中为主要反应位点。

证明了双压电材料在外力作用下产生的压电场具有协同促进效应。

提出了压电光催化体系中双压电增强光生载流子分离的机制。

【数据概览】

图1 BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维经不同浓度ZnO浸渍液预处理的表面形貌 (a) 0.02 mol/L (b) 0.04 mol/L ，(c) 0.06 mol/L。以及水热处理12h后对应的松针状BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维表面形(d), (e), (f)。

图2 (a)BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维的物相组成， (b) HRTEM图(插图为TEM图)，(c)松针状BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维制备过程示意图。

图3 BTZ-0.06连续纳米纤维的PFM图像。(a)振幅图；(b)相位图；(c)振幅蝴蝶环；(d)相位滞后环。

图4  (a)固定超声功率为120 W时，紫外光照射和超声处理下BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维降解RhB的曲线(c)不同实验条件下BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维降解RhB的反应速率常数比较(b) BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维降解RhB压电催化和光催化30min时的TOC比较， (d) h⁺(EDTA-2Na)和e^-(Cu(NO₃)₂·3H₂O)清除剂存在下BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维的压电催化降解对应的反应速率常数。

图5  (a)单根松针状BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维，(b)超声波处理下几种形式的BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维，(c) ZnO、BaTiO₃、BTZ-0.06(不含PE)和BTZ-0.06连续纳米纤维添加和不添加时的循环瞬态光电流曲线 (d)紫外光照射与超声处理协同作用下BaTiO₃/ZnO异质结构能带示意图。

【总结与展望】 

综上，作者报道了一种双压电增强光生载流子分离的松针状BaTiO₃/ZnO连续纳米纤维。在超声的外力作用下，BaTiO₃和ZnO的不同变形方向或程度会导致压电势产生的初始时间不同，并且两个压电场将交替打破屏蔽并有效分离的光生载流子。与光催化相比，压电光催化反应的速率常数增加了2.13倍。特别是，与纯ZnO和BaTiO₃相比，反应速率常数分别增加了2.15次和2.98倍。此外，BaTiO₃/ZnO的压电光催化反应速率常数显著高于压电和光催化反应速率常数的加和，证实了ZnO和BaTiO₃产生的压电场会协同促进分离光生载流子的分离。本研究制备了一种双压电增强载流子分离的压电光催化剂，可有效地降解有机污染物，为压电光催化增强机制提供了一种新的思路。

文章链接：https://doi.org/10.1039/D2TA01578A

DOI：10.1039/D2TA01578A

本文由作者供稿