壓電光催化已成為解決環(huán)境污染和快速增長的能源短缺問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，這嚴重限制了該方法的進一步發(fā)展。因此，通過對壓電光催化劑進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)，并對其光催化性能、壓電催化性能和壓電光催化性能進行了研究。使用羅丹明B (RhB)作為模型污染物，研究人員測試了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，其對羅丹明B (RhB)的降解速率常數(shù)(k=0.214 min?1)增強了2.2倍。此外，研究人員利用密度泛函理論(DFT)研究了OV對吸附能和Bader電荷的影響，確定了OV能夠改善壓電光催化活性。具體來說，OV的引入增加了反應(yīng)中間體的吸附能和Bader電荷，從而增強了O2/H2O和BIT之間的電荷轉(zhuǎn)移，從而促進了催化過程。研究人員總結(jié)了BIT-OV納米片的壓電光催化降解機理：在超聲振動作用下，BIT納米片在空化壓力作用下發(fā)生變形，正負電荷在相反的晶體表面聚集形成電場；在光輻照和超聲振動共同作用下，BIT同時產(chǎn)生壓電極化和光生載流子；在壓電極化的驅(qū)動下，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，使價帶更負，導帶更正，因此，當壓電催化和光催化共同作用時，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。總的來說，這項工作將促進對OV對壓電光催化活性的影響的更深入的理解，也為設(shè)計結(jié)合機械振動和太陽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
