物理場(chǎng)調(diào)制被認(rèn)為是提高各種電催化劑性能的一種有前途的方法，近年來引起了人們的廣泛關(guān)注。然而，目前為止利用這種技術(shù)通過耦合外部電場(chǎng)可控地通過2e?氧還原反應(yīng)(ORR)反應(yīng)高效綠色電合成氧化氫(H2O2)尚未實(shí)現(xiàn)。
為了實(shí)現(xiàn)這種方法的可行性，蘇州大學(xué)康振輝、陳子亮和柏林工業(yè)大學(xué)Prashanth W. Menezes等成功開發(fā)了一種基于固有電疇對(duì)流體機(jī)械力刺激響應(yīng)的可控壓電策略，以在動(dòng)態(tài)ORR過程中誘導(dǎo)極化陶瓷催化劑表面局部電場(chǎng)。研究人員首先對(duì)最典型的壓電陶瓷Pb(Zr0.5Ti0.5)O3 (PZT)進(jìn)行了概念驗(yàn)證研究，其表現(xiàn)出較差的固有2e?ORR性能。PZT陶瓷在不同電場(chǎng)下分別表示為PZT-1.5、PZT-2和PZT-2.5，通過改變偏振程度進(jìn)行可控壓電處理。與非極化PZT(非壓電PZT，表示為PZT-0)相比，所有壓電PZT均表現(xiàn)出顯著增強(qiáng)的H2O2生產(chǎn)性能，其中，PZT-2的性能最好(在0.6~0.1 VRHE的寬電位范圍內(nèi)，選擇性超過90%；在0.4 VRHE時(shí)選擇性達(dá)到~98%，超過了幾乎所有的氧化物和大多數(shù)已報(bào)道的堿性2e?ORR催化劑)。結(jié)合各種轉(zhuǎn)移/原位表征和理論有限元分析(FEA)，研究人員發(fā)現(xiàn)催化性能的提高與壓電性能密切相關(guān)，這可能是由動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)流體的機(jī)械應(yīng)力對(duì)極化PZT陶瓷的影響引起的。其中，最優(yōu)的PZT-2顯示出最有利的局部電場(chǎng)，對(duì)電解質(zhì)中的OH?離子和在其表面過度積累的OOH?離子產(chǎn)生靜電排斥，使表面濃度進(jìn)入平衡狀態(tài)，因此實(shí)現(xiàn)最佳的OH*和OOH*結(jié)合強(qiáng)度，減輕所生產(chǎn)H2O2的不均勻性。此外，該策略也能夠提高環(huán)保型無鉛鈦酸鋇((BaTiO3，BT)的2e?ORR性能，進(jìn)一步證明了這種壓電增強(qiáng)的普遍性和適用性。Dynamic Piezoelectric Effect to Promote Electrosynthesis of Hydrogen Peroxide. Energy & Environmental Science, 2022. DOI: 10.1039/D2EE02554J
