壓電光催化已成為解決環(huán)境污染和快速增長(zhǎng)的能源短缺問(wèn)題的一種有效的策略。然而，壓電光催化劑的電荷分離效率仍然不理想，這嚴(yán)重限制了該方法的進(jìn)一步發(fā)展。因此，通過(guò)對(duì)壓電光催化劑進(jìn)行修飾改性以提高其催化效率具有重要意義。
近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學(xué)院Salvador Pané和Wu Jiang等一系列不同氧空位(OV)濃度的Bi4Ti3O12(BIT)納米片(BIT-OV)，并對(duì)其光催化性能、壓電催化性能和壓電光催化性能進(jìn)行了研究。使用羅丹明B (RhB)作為模型污染物，研究人員測(cè)試了BIT-OV催化劑的壓電光催化性能。結(jié)果表明，與原始BIT納米片相比，具有優(yōu)化的OV濃度的BIT表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電光催化活性，其對(duì)羅丹明B (RhB)的降解速率常數(shù)(k=0.214 min?1)增強(qiáng)了2.2倍。此外，研究人員利用密度泛函理論(DFT)研究了OV對(duì)吸附能和Bader電荷的影響，確定了OV能夠改善壓電光催化活性。具體來(lái)說(shuō)，OV的引入增加了反應(yīng)中間體的吸附能和Bader電荷，從而增強(qiáng)了O2/H2O和BIT之間的電荷轉(zhuǎn)移，從而促進(jìn)了催化過(guò)程。研究人員總結(jié)了BIT-OV納米片的壓電光催化降解機(jī)理：在超聲振動(dòng)作用下，BIT納米片在空化壓力作用下發(fā)生變形，正負(fù)電荷在相反的晶體表面聚集形成電場(chǎng)；在光輻照和超聲振動(dòng)共同作用下，BIT同時(shí)產(chǎn)生壓電極化和光生載流子；在壓電極化的驅(qū)動(dòng)下，光生載流子能夠有效地分離并快速遷移到表面，大大降低了復(fù)合速率。此外，壓電極化還可以使能帶傾斜，使價(jià)帶更負(fù)，導(dǎo)帶更正，因此，當(dāng)壓電催化和光催化共同作用時(shí)，大量的電子和空穴可以與氧或水分子發(fā)生氧化還原反應(yīng)，從而產(chǎn)生更多的自由基和更高的催化效率。總的來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作將促進(jìn)對(duì)OV對(duì)壓電光催化活性的影響的更深入的理解，也為設(shè)計(jì)結(jié)合機(jī)械振動(dòng)和太陽(yáng)輻照降解污染物和產(chǎn)生活性氧的高效催化劑提供新的策略。Tuning Oxygen Vacancies in Bi4Ti3O12 Nanosheets to Boost Piezo-photocatalytic Activity. Nano Energy, 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108202
