中国地质大学(北京)黄洪伟，发表Nano Energy！

学术 2024-11-05 08:30 广东

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在周期性应力作用下，压电材料可以形成瞬时非零偶极矩，产生动态压电势，并驱动载流子与外界物质发生氧化还原反应，这种现象称为压电催化。压电催化具有广阔的应用前景，包括水分解、CO₂还原、废水处理、H₂O₂生产和有机合成等。它不受时间和空间的限制，是一种多用途的技术。

其中，钙钛矿及其衍生物(即层状钙钛矿)具有独特的层状晶体结构、丰富多样的原子组成，以及优异的压电效应和机电耦合系数，在压电催化领域中大放异彩。因此，深入理解钙钛矿的压电催化机理，对于开发高效的压电催化材料和推动压电催化技术的发展至关重要。

近日，中国地质大学(北京)黄洪伟课题组采用一步水热法合成了Bi₃TiNbO₉(BTNO)和SrBi₂Nb₂O₉(SBNO)纳米片，并首次应用于压电催化制氢。通过对八面体畸变指数和键角方差等微观结构的分析和理论计算表明，TiO₆八面体比NbO₆八面体具有更高的畸变程度，从而在压电效应、极性和极性变化程度、载流子浓度和分离效率等方面具有更优异的性能。

同时，在拉伸或压缩应变下，由于钙钛矿层对应力的响应比[Bi₂O₂]²⁺层更明显，所以BTNO中a轴显著改变，b轴发生相对较小的变化。还有就是，在层状钙钛矿结构单元中，只有特定位置的八面体表现出有助于压电催化的偶极矩场，而其他单元的影响可以忽略。

得益于BTNO压电催化过程伴随着显著的压电势和能带倾斜度变化，驱动了载流子的快速迁移，进而提升了反应速率。因此，性能测试结果显示，以葡萄糖为空穴牺牲剂，在纯水中BTNO表现出1025.5 μmol g^-1 h^-1的压电催化产H₂速率，而SBNO的H₂析出速率为586.1 μmol g^-1 h^-1。

此外，在长达10小时的压电催化产H₂实验中，BTNO的H₂平均生产速率一直保持在381.1 μmol g^-1 h^-1；稳定性测试后催化剂的形貌结构未发生明显变化，显示出优异的化学稳定性和结构稳定性。

总的来说，该项工作通过研究BTNO和SBNO的压电效应和压电催化活性，揭示了不同八面体之间的差异，这为研究晶体结构与催化性能之间的内在关系提供了平台。

Identifying polar and non-polar octahedron units in isomorphic layered perovskites towards efficient piezocatalytic H₂ evolution. Nano Energy, 2024. DOI: 10.1016/j.nanoen.2024.110334

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