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当代社会的迅速发展伴随着严重的能源短缺和环境污染问题。虽然地球上拥有许多可持续且清洁的能源资源，如太阳能、潮汐能、风能和地热能，但它们难以直接应用于工业生产和日常生活，这些领域通常需要电力或燃料。为此，清洁能源的高效转换技术得到了广泛研究。在能量转换过程中，催化剂起着关键作用，特别是在电催化和光催化反应中。催化剂通过加速反应速率和降低能耗，选择性地促进目标反应，从而提高能量转换效率并减少副产品。此外，催化剂还能够借助清洁能源驱动污染物的降解，为环境修复提供了具有前景的解决方案。在众多清洁能源中，机械能丰富且无处不在。基于压电效应和摩擦电效应的机械能转换机制已得到广泛发展。具有非中心对称晶体结构的压电材料在受到应变时可以产生内部电场。摩擦电效应则是一种接触起电现象，当两种不同材料接触时会发生。材料表面之间的电荷转移会导致两者表面带电，形成电势差。压电和摩擦电效应已在纳米发电机和传感器等实际应用中得到了广泛探索。此外，机械能的转换还可以通过基于压电效应和摩擦电效应的催化过程，应用于化学反应中。例如，压电材料产生的压电势能够调控电荷的传输与分离以及氧化还原反应的动力学。
本文总结了厦门大学范凤茹教授，福建农林大学周顺桂教授，暨南大学朱明山教授，重庆大学胡陈果教授，重庆大学奚伊教授，以色列希伯来大学Lioz Etgar教授等课题组在Nano Research Energy、Angewandte Chemie International Edition、Energy & Environmental Science、Nature Water等期刊上发表的最新研究成果，以供读者了解领域最新进展。
压电和摩擦电增强催化利用机械刺激提升催化剂在能量转换和污染物降解中的性能。压电材料产生的电场可以调节催化剂的电荷迁移行为和氧化还原动力学，从而提高能量转换和污染物降解的效率。摩擦电效应也能在两种不同材料接触时产生电场，并可用于增强催化反应。尽管该领域的研究尚处于初期阶段，但它在提高能量转换效率和污染物降解方面具有巨大的潜力，提供了一种有前景的环境修复方法。
鉴于此，厦门大学范凤茹教授等在Nano Research Energy上发表了题为 “Piezoelectricity and triboelectricity enhanced catalysis” 的最新综述成果。
本文要点：
在这篇综述中，作者回顾了压电和摩擦电增强催化领域的最新研究进展。
首先，作者回顾了压电增强催化的基本原理和机制，简要介绍了机械变形的传递方法，归纳并比较了典型的压电催化剂和压电光催化剂的应用及性能。
其次，按照与压电催化类似的结构，探讨了摩擦电催化的研究趋势，重点介绍了其机制和应用。
最后，我们讨论了压电和摩擦电催化在能量转换和环境修复中的新机遇和挑战，并展望了压电和摩擦电催化未来的潜在研究方向。
Liu N, Wang R, Zhao J, et al. Piezoelectricity and triboelectricity enhanced catalysis. Nano Research Energy, 2024, https://doi.org/10.26599/NRE.2024.9120137.
随着现代社会的发展和城市化进程的加速推进，废水处理已成为保障水环境质量和人类健康的关键环节。其中，脱氮是废水处理中的重要任务之一，因为硝酸盐和亚硝酸盐是水体中的主要污染物，对水质和生态系统构成严重威胁。传统污水处理厂通常采用异养性脱氮方法，但这种方法需要外加有机碳作为电子供体，增加了运行成本并导致温室气体排放的上升。因此，作为一种更环保的生物脱氮方法，自养性脱氮逐渐受到关注。该方法利用无机还原化合物作为电子供体，减少了对外部有机碳的依赖。然而，自养性脱氮仍面临一些问题和挑战。常用的无机电子供体，如氢气和硫还原化合物，存在一定的局限性。例如，氢气的半饱和常数较低，硫还原化合物则可能产生二次污染。此外，虽然生物电化学脱氮技术能够提高自养性脱氮的效率，但其复杂的反应器结构和高昂的生物电极材料成本，限制了该技术在实际应用中的推广。
鉴于此，福建农林大学周顺桂教授在Nature Water上发表了题为 “Wastewater denitrification driven by mechanical energy through cellular piezo-sensitization” 的最新研究成果。
本文要点：
在本文中，作者开发了一种创新的机械驱动生物反硝化方法，通过压电材料将机械能转化为电能，支持反硝化微生物的代谢。
当自养反硝化菌“脱硫硫化硫杆菌”在机械搅拌下与原位形成的鸟粪石共同作用时，强效的细胞压电敏化使合成废水中的硝酸盐几乎实现了100%的还原，且以H2O为电子供体。
该由机械能驱动的自持生物反硝化过程在实际废水处理中成功实施，硝酸盐去除率最高提高了117%。
这些发现为废水反硝化引入了一个全新的范式，揭示了废水处理过程中能量—微生物—元素纽带的未曾认识到的机制，并为优化废水处理厂的运行提供了重要见解。
Ye, J., Ren, G., Liu, L. et al. Wastewater denitrification driven by mechanical energy through cellular piezo-sensitization. Nat Water 2, 531–540 (2024). https://doi.org/10.1038/s44221-024-00253-2.
压电催化被认为是一项有助于解决全球化石能源短缺的环境污染问题的先进催化技术，但压电催化过程的具体机制仍然存在争议。目前，关于压电催化机制有两种主要假设：能带理论和电荷屏蔽效应。受光催化过程启发，能带理论强调压电催化剂中能带结构的调整和内部电荷载流子的转移。而电荷屏蔽效应强调了压电势的作用与压电材料中表面屏蔽电荷的行为，参与氧化还原反应中的电荷属于外部吸收的屏蔽电荷，且压电势的大小必须精确满足所需的氧化还原电位，这符合电催化中电极反应电位的基本原理。两种反应机理分别对应光催化和电催化的基本原理。目前，大多数研究工作都致力于根据载流子激发途径和压电势的作用来确认或区分两种压电催化机制。然而，仍然缺乏具体的证据来详细解释压电催化过程。光催化和电催化二电子氧还原（ORR）产过氧化氢（H2O2）是当前化工领域经典的催化反应，这两种催化方式在ORR的反应路径中有所区别，其中超氧自由基（O2•-）的形成是区分电催化和光催化的关键自由基物种。因此，如果可以监测压电催化ORR反应途径的中间活性物种并与光催化和电催化进行比较，则有望进一步的解释和选择压电催化机理。
鉴于此，暨南大学朱明山教授在Angewandte Chemie International Edition上发表了题为 “Piezo-catalysis Mechanism Elucidation by Tracking Oxygen Reduction to Hydrogen Peroxide with In-situ EPR Spectroscopy” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者利用原位EPR系统检测了 BOB-OV 进行压电、光和电催化ORR 产H2O2的反应路径和中间活性物种。
实验结果表明，BOB-OV在通过压电、光和电催化过程进行ORR 产H2O2方面具有高效的催化活性。在电催化过程中，•H信号的出现，随后与•OOH 结合，表明了这是一个直接的PCET过程，绕过了O2•-的形成。相反，光和压电催化过程都会生成O2•-，然后通过间接 PCET 途径形成•OOH。这种间接PCET机制证实了参与反应的压电电荷是BOB-OV的固有电荷。
与光激发载体类似，机械能可以激发压电电荷达到特定的能带水平，其中氧化还原电位在热力学上满足O2/ O2•-的反应电势。这种相似的ORR途径，加上BOB-OV中观察到的能带结构的变化，意味着压电催化ORR反应机理遵循能带理论的原理。
这一发现为解释和验证压电催化机理提供了前瞻性的证据与见解。
Jie He, Zhi Li, Pengju Feng, Gang Lu, Tengda Ding, Li Chen, Xiaoguang Duan, Mingshan Zhu, Angew. Chem. Int. Ed. 2024, e202410381.
目前，基于电荷激励的超快速和高效的电荷自注入(CSI)技术，通过放电缓和策略和材料选择实现了超高输出电荷密度。然而，过量注入电荷引起的空气击穿效应和聚合物的陷阱引起的电荷脱陷效应导致了严重的电荷耗散。同时，由于大气离子中和、电荷表面传导和体传导引起的电荷快速衰减，共同导致了可用残余电荷小于注入电荷的1/10，导致极低的电荷利用率。因此，如何在提高电荷产生密度的同时有效地控制电荷耗散是一个重大的挑战。I）虽然研究者利用电荷注入策略（电晕极化、离子辐照以及电荷自注入技术等等）提高了TENG的输出，但需要对注入电荷的极性进行更全面的研究。由于聚合物内部深、浅电子/空穴陷阱的浓度不同，导致正/负电荷的俘获水平和电荷耗散速率也不同。因此，建立材料选择基因库，量化摩擦电材料存储和耗散正、负电荷的能力，是进一步优化TENG持续输出的前提。II）除了选择最佳注入电荷极性外，CSI技术还面临着更严峻的挑战；注入电荷的快速耗散导致聚合物无法有效存储电荷。理论上，电荷耗散与聚合物深/浅陷阱的比例有关。宏观上，它与聚合物的表面和体积导电性有关。因此，优化聚合物内部的陷阱态分布，降低电导率以抑制电荷耗散是当务之急。
鉴于此，重庆大学胡陈果教授在Energy & Environmental Science上发表了题为 “Regulation of deep and shallow hole/electron trap states and charge conducting behaviors of dielectric tribo-materials for maximizing retained charges” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者利用超快高效电荷自注入策略(HUSCI) 量化 30 种传统摩擦材料俘获和去俘获正/负电荷的能力，并揭示了聚合物的基团成分和组成影响其陷阱态分布。
具体来说，深、浅空穴/电子陷阱态的密度和比例分别决定了注入电荷的存储和耗散。
此外，本文验证了动态电荷耗散的三种路径，并提出优化陷阱分布并构建电荷传输和阻挡层来抑制。
最终，改性P(VDF-TrFE)薄膜通过合理掺杂SiO2和MoS2，实现了3.88 mC m-2的高保留电荷密度，同时电荷耗散率降低了50%，创下了材料改性的新纪录。令人惊讶的是，PVDF 的高陷阱态密度实现了26.2 mC m-2 的超高注入电荷密度。
这项研究为量化介电材料中的电荷俘获和抑制电荷去俘获提供了基本方法。
Jian Wang, et al. Energy Environ. Sci., 2024, https://doi.org/10.1039/D4EE03008G.
摩擦伏特发电机(TVNG)作为一种环境机械能转化为直流电能的技术，引起了全世界的广泛关注。与其他基于空气放电、多相耦合和三元介质的直流发电策略相比，TVNG具有结构更简单、电流密度更高、匹配阻抗更低的特点。然而，TVNG的工作机理决定了其面临着输出电压低、耐磨性差、接触面积小等缺陷。
鉴于此，重庆大学奚伊教授在Energy & Environmental Science上发表了题为 “Ultrahigh voltage direct current quasi-tribovoltaic nanogenerator by switchable tribo-bias induction and deposited charge extraction” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者基于摩擦偏压诱导的准摩擦伏特效应，利用具有极端特性的绝缘材料（弱电荷约束能力的高导电性绝缘体和提供强摩擦偏压的高介电驻极体），实现了器件的高电压和功率及耐久性。
研究指出，准摩擦伏特效应是强摩擦偏压诱导高导电性绝缘材料中的电荷在其上下表面定性沉积，定向沉积的电荷形成的内部电场驱动外部电路中电荷移动，从而产生单向、持续的电信号的过程。该过程与金属/半导体-半导体界面在摩擦作用下产生直流电的现象类似。
此外，通过增加电荷沉积和抑制电荷复合的协同策略，可以明显提高沉积电荷的提取效率，I-Q-TVNG最终实现了2324 V的直流输出电压和11.2 mW的平均功率。该器件还具有优异的稳定性(峰值系数1.0204)和耐久性(在72,000 次循环中保持97.8 %的性能)。
这项工作为摩擦偏置诱导电荷的动态行为提供了重要的见解，并为开发高输出电压TVNG走向实际应用开辟了一条全新的途径。
Xuemei Zhang, et al. Energy Environ. Sci., 2024,17, 4175-4186.
卤化物钙钛矿由于其独特的光学和物理特性，被认为是第三代光伏（PV）的理想候选材料。卤化物钙钛矿具有ABX₃的通用结构，其中A是有机或无机一价阳离子（如Cs⁺, Rb⁺, MA⁺或FA⁺），B是具有6配位数的二价金属阳离子（例如Pb²⁺或Sn²⁺），X是与金属阳离子结合形成BX₆八面体层的卤素阴离子（I⁻, Br⁻, Cl⁻），A位阳离子则位于八面体孔中。根据Goldschmidt容忍因子的理论，A位阳离子的半径对形成的结构具有重要影响；为了形成具有连续BX₆层的三维（3D）结构，容忍因子应在0.8 < t < 1.1的范围内。引入较大半径的A位有机阳离子（R表示障碍分子）会导致BX₆八面体层在Z轴方向上的分离，形成公式R2An–1BnX3n+1，表现为准二维（2D）（n≥1）钙钛矿结构。与光学性能主要由B-X轨道重叠控制的3D钙钛矿不同，准二维结构中，除卤素类型外，材料的光学和电子特性还受到R阳离子尺寸和化学结构的显著影响，这是量子限制效应的结果。准二维钙钛矿可以分为两种亚类：(i) Dion-Jacobson（DJ），其中有一个含有两个氨基的R阳离子分子，位于分子的两端；(ii) Ruddlesden-Popper（RP），其由两个单胺R阳离子组成，方向相反。最新研究表明，准二维结构在潮湿条件下比三维钙钛矿更加稳定。除了优异的太阳能捕获特性外，卤化物钙钛矿还展示了压电能量捕获的能力。由于压电效应是由机械应力产生的，因此它在很大程度上取决于钙钛矿的组成，这些成分会影响晶格结构。
鉴于此，以色列希伯来大学Lioz Etgar教授在ACS Energy Letters上发表了题为 “The Impact of Piezoelectricity in Low Dimensional Metal Halide Perovskite” 的最新研究成果。
本文要点：
在这项研究中，作者探讨了使用不同的障碍分子——苄胺（BzA）、苯乙胺（PEA）和丁二胺（BuDA）——的准二维钙钛矿的压电响应。
通过压电力显微镜测量，作者确定了压电系数（d33），其中BuDA在n=5时表现出显著的响应，达到147 pm V⁻¹，优于其他准二维和三维钙钛矿。
密度泛函理论计算表明，准二维钙钛矿的PbBr₆金字塔中键角的扭曲增强了对称破缺。此外，基于从头算多体微扰理论得出的极化率和介电常数结果显示，BuDA的极化率最高，其次是PEA和BzA，这与实验结果一致。
作者还展示了基于BuDA的准二维钙钛矿在压力传感器中的性能，重点强调了其更快的电容衰减时间。
这项研究突显了钙钛矿维度对压电性的影响，为开发灵敏且应用广泛的压力传感器奠定了基础。
Stav Rahmany, et al. ACS Energy Lett. 2024, 9, 4, 1527–1536.
编辑 | 欧阳嘉璇
审核 | 王 璟
宣传 | 谢蕴秋
来源丨NanoResearch
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