第一作者：胡程
通讯作者：黄洪伟
通讯单位：中国地质大学（北京）材料科学与工程学院
此文是多物理场能源催化转化专刊邀请稿，客座编辑：沈少华教授、刘东教授、赵大明副教授
主要亮点
本文综述了压电极化促进光催化反应的基本原理，讨论了压电极化场对光生载流子在体相、表面和异质结界面处的有效调控。其次，基于压电光催化的反应机制重点总结了增强压电光催化活性的催化剂设计策略，包括形貌调控、极性调控、异质结构建和表面工程。同时，聚焦水分解产氢、H2O2合成、CO2还原和有机合成等能源应用展示了压电光催化的最新进展，并对发展压电光催化的挑战和机遇进行了分析和展望。
研究背景
快速的工业化以及经济和人口的急剧增长引发了严重的环境污染和能源危机。半导体光催化技术是缓解能源过度消耗和实现“碳中和，碳达峰”的有效途径，被誉为“21世纪梦的技术”。然而，强大的库伦引力导致光激发的电子和空穴在催化剂体相和表面发生快速复合，极大地降低了太阳能转化效率。压电半导体具有非中心对称的晶体结构，在机械力作用下产生的压电极化电场为载流子的有效分离和转移提供了充足的驱动力。此外，压电极化电荷诱导的能带弯曲还可以有效调控半导体表面和异质结界面的电荷传导动力学，实现了传统光催化反应所不具备的活性和选择性。因此，耦合太阳能和机械能的压电光催化技术在能源转化中展示出了巨大的潜力。然而，鉴于压电光催化反应机制的复杂性，很少有综述文章对增强压电光催化活性的不同策略进行讨论和机理分析。
核心内容
1 压电极化增强光催化的机制
机械应力诱导的极化会导致压电体中正负电荷中心发生偏移，使正负电荷出现在材料的相反表面。压电极化电荷所形成的内建电场为光生载流子在体相的高效分离提供了强劲的驱动力（图1a）。此外，压电极化束缚电荷将进一步促进或抑制表面能带弯曲，影响亥姆霍兹层中电势降的大小和能带弯曲的势垒高度，进而影响空间电荷层的高度和宽度，最终影响电子-空穴对在表面的分离和扩散（图1b）。异质结工程已被证明是促进电子-空穴对空间分离的高效途径。当异质结结构中的一个或一个以上的组分具有压电性时，其在外力作用下产生的压电极化电场将诱导界面发生能带弯曲，使得调控异质结界面的电荷载流子特性成为可能，进一步促进了载流子的分离和表面反应（图1c）。
图1 压电极化增强光催化的机制。(a)体相电荷分离；(b) 固液界面电荷分离；(c)金属-半导体界面的电荷分离
因此，压电极化电荷所形成的内建电场为光生载流子的高效分离提供了强劲的驱动力，同时调控载流子在空间电荷区域的迁移，影响异质结界面的电荷传导动力学，实现了压电极化和光催化过程的优异协同。
2 催化增强策略
压电光催化过程包括光吸收、压电极化促进的电荷分离和转移，以及表面氧化还原反应这三个关键步骤。因此，基于压电光催化反应机制的催化剂设计策略包括：
（1）形貌调控：压电极化电场的形成依赖于外部应力造成的压电体晶格位移。低维的形貌结构不仅能产生更大晶格形变，促进压电电势的产生；也可以赋予压电材料对微小机械力的极大敏感性，提高机械能收集效率；此外，低维结构还具有丰富的表面活性位点，有利于表面反应物的吸附和转化。
（2）极化调控：压电光催化的效率与催化剂的压电性呈正相关。增强的压电极化不仅能调节催化剂的能带结构，还提供了强大的驱动力以加速光生电子和空穴的分离和迁移。元素掺杂、畴结构调控和相结构调控是增强压电半导体极性的常用策略。
（3）异质结构建：构建异质结是促进电荷空间分离的有效途径。此外，同时具有光电响应和压电性的催化材料数量有限，构建异质结极大地拓展了压电光催化剂的选择。将不同材料的优点相结合，也能进一步提高催化转换的效率。目前，基于电荷分离的异质压电光催化系统主要有II型结、p-n结、Z型异质结和其他压电复合物等。
（4）表面工程：催化剂的表面原子组成和电子结构对催化反应的活性和选择性至关重要，通过构建表面空位、控制暴露晶面、负载活性金属和调控表面活性位点是提高压电光催化活性的重要手段。
3 能源应用
压电极化不仅提高了电荷分离效率，还能有效调节催化剂的能带结构以满足目标反应的热力学限制，使得其广泛应用于能源领域，如水分解产氢、H2O2合成、CO2还原和有机合成等。
结论与展望
本文主要介绍压电极化促进光催化活性的机制，基于压电光催化的反应过程重点总结了增强催化活性的有效策略，包括形貌调控、极化调控、异质结构建和表面工程，并聚焦能源应用展示了压电光催化的最新进展。我们希望这项工作能为高性能压电光催化剂的设计提供有益的参考，并为读者提供具体的策略来针对性地提高压电光催化活性。
原文链接
https://www.whxb.pku.edu.cn/CN/10.3866/PKU.WHXB202212048
通讯作者简介
黄洪伟
中国地质大学（北京）教授，博士生导师。主要研究领域为极性光催化材料及其在能源和环境领域的应用。入选国家高层次青年人才、荣获霍英东基金青年教师奖、教育部自然科学二等奖等。以第一或通讯作者在Nat. Commun.、Angew、JACS、Adv. Mater.等发表SCI论文200余篇，48篇论文入选全球1% ESI 高被引用论文，发表论文总引用21000余次，h因子为80，申请发明专利多项。2019–2022连续4年入选科睿唯安（Clarivate Analytics）“全球高被引学者”。
