光催化技術(shù)經(jīng)過50多年的發(fā)展，取得了顯著的進步，并已廣泛應(yīng)用于多個領(lǐng)域，包括光催化產(chǎn)氫、光催化CO?還原、光催化污染物降解等。然而，光催化反應(yīng)中光生電子（e?）和空穴（h?）的快速復(fù)合問題，導(dǎo)致整體反應(yīng)效率較低，使得光催化技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程面臨諸多挑戰(zhàn)。為了解決這一問題，研究人員開始探索多場協(xié)同光催化技術(shù)，以提高光催化反應(yīng)的效率和選擇性。

多場協(xié)同光催化是指將光場與其他物理場（如電場、熱場、磁場、壓電場及等離子場等）結(jié)合，通過多場協(xié)同作用增強光生載流子的分離和傳輸，從而提高催化劑的活性和穩(wěn)定性。在這些物理場中，壓電場協(xié)同光催化因其顯著提高載流子分離效率和催化活性而受到越來越多研究人員的關(guān)注。

自2010年王中林院士開創(chuàng)壓電光催化技術(shù)以來^[1]，該領(lǐng)域在十多年的時間里取得了快速發(fā)展。具有壓電特性的半導(dǎo)體光催化劑能夠同時吸收和轉(zhuǎn)換機械能和太陽能，利用壓電勢和極化電荷為光生電子/空穴的遷移提供驅(qū)動力。壓電極化電荷和感應(yīng)壓電勢使壓電半導(dǎo)體光催化劑中的光生電荷能夠向特定方向遷移，促進它們的分離并減少復(fù)合。截至目前，壓電光催化已在物理、化學(xué)、能源和環(huán)境科學(xué)等多個科學(xué)領(lǐng)域引起了極大興趣，并被應(yīng)用于氫氣生產(chǎn)、CO?還原、有機合成、生物應(yīng)用、環(huán)境修復(fù)和小分子催化等多個方向。

圖1 壓電光催化圖解

壓電材料受到機械應(yīng)力時，材料內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生形變，導(dǎo)致正負(fù)電荷中心發(fā)生位移。這種位移會在材料的表面產(chǎn)生應(yīng)變誘導(dǎo)極化并產(chǎn)生電荷，形成內(nèi)建電場。常見的機械應(yīng)力施加方式包括機械攪拌、外部加壓和超聲振動。超聲清洗機通過提供超聲振動，因其強度較高和可操作性強，被廣泛應(yīng)用于壓電光催化中以施加機械應(yīng)力。

壓電光催化劑材料在沿不對稱方向的機械拉伸或應(yīng)變下，晶胞中正負(fù)電荷的中心發(fā)生位移，導(dǎo)致自發(fā)極化。因此，在兩個相對的表面上產(chǎn)生正負(fù)電荷，從而產(chǎn)生內(nèi)置電場。此外，產(chǎn)生的內(nèi)建電場還可誘導(dǎo)固液界面處的能帶彎曲，進一步提高催化活性。^[2]例如，江海龍教授的研究團隊通過水熱法合成的MOFs材料UIO-66-NH?(Hf)在超聲波協(xié)同光催化條件下，產(chǎn)氫效率比UIO-66-NH?(Zr)高2.2倍^[3]。然而這兩種MOF在沒有超聲波照射的光催化產(chǎn)氫表現(xiàn)出相似的活性。通過對比實驗，研究明確指出UiO-66-NH?(Hf)的壓電效應(yīng)是其在壓電光催化中表現(xiàn)出更高活性的關(guān)鍵因素。通過原子力顯微鏡（AFM）的Kelvin探針力顯微鏡（KPFM）和壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）模塊，研究了兩種MOFs的壓電性質(zhì)。結(jié)果顯示，UiO-66-NH?(Hf)的壓電響應(yīng)明顯強于UiO-66-NH?(Zr)。在光照射下，UiO-66-NH?(Hf)的表面電位從54.4 mV降低到41.0 mV，表明內(nèi)建電場促進了光生載流子的分離。此外，研究還優(yōu)化了超聲參數(shù)，發(fā)現(xiàn)200 W和53 kHz的超聲條件能夠最大化UiO-66-NH?(Hf)的光催化效率。

圖2 (a)不同條件下兩種催化劑的光催化產(chǎn)氫速率，(b)不同超聲頻率下的UiO-66-NH?(Hf) 產(chǎn)氫速率，(c)不同超聲頻率下UiO-66-NH?(Hf) 的產(chǎn)氫速率，(d)超聲功率200 W頻率50 kHz條件下UiO-66-NH?(Hf) 循環(huán)實驗中的光催化制氫動力學(xué)曲線。

圖3 (a)表面電位圖像，(b)表面電位曲線，(c)壓電響應(yīng)相位滯后環(huán)，(d)UiO-66-NH?（Hf）的振幅蝶形環(huán)。

除壓電光催化外，壓電場協(xié)同的電/光電催化近幾年也受到研究人員的廣泛關(guān)注，基于此，泊菲萊科技創(chuàng)新性的開發(fā)了超聲耦合電/光電解槽，這是行業(yè)內(nèi)首個將壓電場和電/光電催化深度融合的反應(yīng)設(shè)備，為清潔能源、環(huán)境治理和綠色化學(xué)等領(lǐng)域提供了新的解決方案。

泊菲萊超聲耦合電/光電解槽配備120 W換能器（單側(cè)60 W），超聲功率精準(zhǔn)可調(diào)，超聲頻率40 kHz（頻率可定制），能顯著提升催化反應(yīng)的效率和選擇性。該電解槽可實時顯示反應(yīng)溫度，便于研究者精準(zhǔn)監(jiān)控反應(yīng)條件。歡迎撥打電話400-1161-365了解關(guān)于這款產(chǎn)品的更多信息。

總結(jié)

壓電催化反應(yīng)實驗的效率和效果受到多種因素的影響，主要包括壓電材料的選擇、催化劑的表面積和形態(tài)、機械應(yīng)力的施加方式、反應(yīng)條件以及外部環(huán)境（如超聲頻率和功率）和反應(yīng)器設(shè)計等。壓電材料的壓電系數(shù)越高，產(chǎn)生的壓電勢越強，對光生載流子的分離和傳輸越有利。催化劑的高比表面積和合適的形態(tài)可以增加反應(yīng)活性位點，提高反應(yīng)效率。反應(yīng)條件的優(yōu)化，如適當(dāng)?shù)墓庹諒姸取⒎磻?yīng)溫度和溶液pH值，可以進一步提高催化活性。此外，壓電催化反應(yīng)器的設(shè)計尤為重要，合理的反應(yīng)器設(shè)計需滿足以下條件：

◆ 應(yīng)優(yōu)化反應(yīng)器內(nèi)部物理條件，如溫度、壓力和傳質(zhì)，從而提高催化劑的活性和選擇性；

◆ 應(yīng)根據(jù)催化劑的分布、形狀和尺寸確保催化劑和反應(yīng)物之間要充分接觸，以提高反應(yīng)速率；

◆ 應(yīng)選用穩(wěn)定耐用的材料，保障長期的可靠性，因為反應(yīng)器在運行中可能會遇到機械應(yīng)力和化學(xué)腐蝕；

◆ 應(yīng)考慮反應(yīng)器從實驗室到工業(yè)規(guī)模的可擴展性，這包括反應(yīng)器的尺寸、材料成本和制造工藝等；

◆ 應(yīng)包含有效的監(jiān)控和控制系統(tǒng)，精確控制操作條件如溫度、pH值和反應(yīng)物濃度，確保反應(yīng)在最佳條件下進行。

泊菲萊可提供光催化反應(yīng)器定制服務(wù)，反應(yīng)器可滿足“結(jié)構(gòu)堅固，取樣簡單，適合不同形態(tài)產(chǎn)物取樣檢測”等特點，歡迎咨詢！

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參考文獻

[1] Yang Q , Guo X , Wang W ,et al.Enhancing Sensitivity of a Single ZnO Micro-/Nanowire Photodetector by Piezo-phototronic Effect[J].Acs Nano, 2010, 4(10):6285.

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[3] Zhang C , Lei D , Xie C ,et al.Piezo-Photocatalysis over Metal–Organic Frameworks: Promoting Photocatalytic Activity by Piezoelectric Effect[J].Advanced Materials,2021,33(51):1