黄洪伟&张以河课题组丨Angew. Chem. Int. Ed. : 通过宏观极化增强促进光和压电诱导的电荷分离和氧活化反应

【引言】

分子或离子氧活化成为活性氧物种，如超氧自由基（·O₂^-）, 羟基自由基（·OH）, 单线态氧（¹O₂）等作为高活性、绿色的氧化剂在环境化学和生物化学中发挥至关重要的作用。特别是·OH，具有最强的氧化能力和非选择性，可以分解一切有机物和生物分子。当前活性氧物种主要通过光催化反应产生，由于在这个过程中光生电荷的快速复合（皮秒级别），使得光催化活性物种产率极大受限。因此提高光催化过程的活性物种产出效率以及开发新的活性氧制备途径具有重要意义。压电材料是一类力电可逆转换材料，被广泛应用于各类电子器件中。当施加机械力在压电材料上时，可以使其体内各原子发生极化，从而诱导产生极化电荷/电势。能否利用压电产生的极化电荷/电势驱动氧活化反应是一项很值得探索的课题。

【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黄洪伟张以河课题组近期在Angew. Chem. Int. Ed.上发表了一篇题为Macroscopic Polarization Enhancement Promoting Photo- and Piezoelectric-Induced Charge Separation and Molecular Oxygen Activation的文章。文中报道了以同时具有光响应和压电响应的非中心对称极化材料BiOIO₃为研究目标，通过利用半径相近、电荷相等的V⁵⁺离子取代其IO₃多面体中I⁵⁺离子，以增强BiOIO₃材料的宏观极化能力，从而使得其在光催化和压电催化过程中的电荷高效分离，最终大幅提升BiOIO₃分别在光和压电激发诱导下的氧活化产出·O₂^-和·OH性能。

【图文导读】

图1 BiOIO₃和V掺杂BiOIO₃的物相及结构表征

（a）BiOIO₃和V掺杂BiOIO₃（BiOI_0.926V_0.074O₃）的XPS图谱；

（b）拉曼光谱；（c）V-BiOIO₃的XRD粉末结构精修图谱；

（d）XAFS图及其傅立叶变换曲线；

（e、f、g、i）TEM图像；

（h）BiOIO₃晶胞结构示意图。

图2 不同光源下光催化活性氧物种产出检测

（a、c）超氧自由基特征峰ESR图谱；

（b、d）羟基自由基特征峰ESR图谱。

图3 光降解及光电(化学)性能测试

（a、b）不同光源下光降解速率柱状图；

（c）紫外光激发下的光电流图谱；

（d）光电压图谱。

图4 宏观极化和超声辅助的压电催化氧活化性能

（a、b）V-BiOIO₃（BiOI_0.926V_0.074O₃）沿不同方向晶体结构及极化方向示意图；

（c）粉末倍频效应图谱；

（d）超声辅助的压电催化氧活化示意图；

（e、f）活性氧物种产率曲线。

【小结与展望】

材料宏观性能主要由其内在的晶体结构所决定的，因此通过的一定的晶体结构设计手段可以对材料的宏观性能进行有效调控。在本文中，通过对同时具有光响应和压电响应的非中心对称极化材料BiOIO₃进行离子取代晶体结构改性增强其IO₃多面体微观极化，通过极化叠加进而提高BiOIO₃晶体的整体宏观极化能力，使其在光和压电诱导下的电荷得到高效分离，从而光催化和压电催化氧活化反应活性都大幅提升，产生丰富的活性氧物种。本文不仅为多通道催化分子/离子氧活化研究提供参考，而且提出以宏观极化增强手段同时高效促进光催化和压电催化性能。此外，该晶体结构设计策略有望拓展应用到锂电、超级电容器等其他研究领域。

文献链接：Macroscopic Polarization Enhancement Promoting Photo- and Piezoelectric-Induced Charge Separation and Molecular Oxygen Activation (Angew. Chem. Int. Ed. 2017, DOI: 10.1002/anie.201706549)

本导读由材料人特邀编辑吴禹翰约稿、编辑、校对并发表。未经授权不得转载。