中国地大Nano Energy：基于水流弱力驱动的高灵敏柔性压电光催化剂研究

【引言】

半导体光催化材料有望解决全球能源和环境问题，压电光催化是实现优异催化性能的有效方法之一，但是压电光催化剂通常需要超声等高能耗条件，从而限制了实际应用和进一步发展。在本研究中提出了一种新的材料设计，通过能量转换柔性薄膜结合半导体催化剂实现优异的压电光催化性能。

【成果简介】

中国地质大学（北京）材料科学与工程学院资源综合利用与环境能源新材料创新团队张以河教授、安琪副教授和黄洪伟教授指导佟望舒，利用改性石墨烯为增强体，制备聚偏氟乙烯-六氟丙烯多孔复合薄膜，实现了高灵敏的发电储能性能，在其表面分别负载TiO₂、BiOI和CdS三种半导体光催化剂，在水流弱力的作用下，三种复合催化剂的光催化性能均比单一半导体有显著提升，认为柔性复合薄膜在弱力驱动下，产生周期性电场，提高光生电子和空穴分离效率，使得复合催化剂的光催化性能提升。相关结果发表在国际材料能源类著名期刊Nano Energy (2018, 53, 513-523)上，题为“A highly sensitive hybridized soft piezophotocatalyst driven by gentle mechanical disturbances in water”。

【图文导读】

图一：压电光催化剂的设计概念示意图

压电光催化剂的设计概念示意图：半导体催化剂负载在改性石墨烯/聚偏氟乙烯-六氟丙烯多孔复合薄膜上。

图二：柔性多孔薄膜制备流程图及电性能

（a）柔性供电薄膜rGO-F/PVDF-HFP的制备流程图；

（b-c）多孔PVDF-HFP的SEM；

（d-e）多孔rGO-F/PVDF-HFP的SEM；

（f）复合薄膜的FTIR；

（g）复合薄膜在外力作用下的电流值；

（h）重复性实验中的电流值分布；

（i）在外力作用后复合薄膜的开路电压随时间变化情况；

（j）多孔rGO-F/PVDF-HFP在受力和力释放的过程中，短路电流和开路电压随时间的变化情况；

（k）多孔PVDF-HFP和（l）多孔rGO-F/PVDF-HFP在不同转速的水流作用下产生开路电压的情况；

（m）多孔rGO-F/PVDF-HFP在一定水流作用下产生的开路电压放大图。

图三：压电光催化剂的性能研究

（a-l）分别是TiO₂@rGO-F/PVDF-HFP、BiOI@rGO-F/PVDF-HFP和CdS@rGO-F/PVDF-HFP压电光催化剂的形貌和PFM；

（m）是三种压电光催化剂催化实验过程示意图；

（n）TiO₂@rGO-F/PVDF-HFP压电催化剂在紫外光下降解MO性能研究；

（o）BiOI@rGO-F/PVDF-HFP压电光催化剂在室内光下降解MO性能研究；

（p）CdS@rGO-F/PVDF-HFP压电光催化剂在可见光下产氢性能研究。

图四：光催化性能提升机理研究

（a）rGO-F/PVDF-HFP多孔薄膜在无光条件下的产氢性能研究；

（b）BiOI@rGO-F/PVDF-HFP压电光催化剂在无光条件下降解MO性能研究；

TiO₂中（c）Ti和（d）O在功能衬底上的XPS；BiOI中（e）Bi和（f）I在功能衬底上的XPS；CdS中（g）Cd和（h）S在功能衬底上的XPS；

（i）多孔薄膜提升光催化性能机理示意图。

图五：电化学模拟实验

（a-c）TiO₂、（d-f）BiOI和（g-i）CdS的C-V曲线、光电流和阻抗图；

（j）TiO₂和（k）BiOI分别做电极时MO的C-V曲线。

【小结】

制备的改性石墨烯/聚偏氟乙烯-六氟丙烯多孔薄膜可以有效的将水流弱力转换成电能，并对外产生周期性电场；在柔性多孔薄膜的作用下，TiO₂、BiOI和CdS的光催化性能分别提高300％、21％和400％。认为是复合薄膜产生的周期性电场使得半导体催化剂电子空穴分离效率提升，进而提高复合体系催化性能。

文献链接：Wangshu Tong, Yihe Zhang*, Hongwei Huang*, Ke Xiao, Shixin Yu, Yan Zhou, Leipeng Liu, Haitao Li, Lei Liu, Tao Huang, Min Li, Qian Zhang, Ruifeng Du, Qi An*. A highly sensitive hybridized soft piezophotocatalyst driven by gentle mechanical disturbances in water. Nano Energy, 2018, 53, 513–523.