赵巍&戴叶婧Nano Energy：多元光电协同效应助力光催化反应高效转化

最近，天津城建大学赵巍教授联合中山大学戴叶婧教授课题组利用铁电材料引入内电场调控光催化剂载流子传输行为，并有效地提高光催化剂的催化效率。首先，作者利用水热合成Ag₂O/BaTiO₃异质结构复合材料，其光催化性能可通过压电、热电、半导体和光激发之间的耦合效应而大大提高。Ag₂O/BaTiO₃的光电化学（PEC）测试表明，在1.5 V_SCE下，复合材料的光电流密度为3.48 mA/cm²，分别是纯BaTiO₃和Ag₂O的1.5倍和1.3倍，0.5 V_SCE下的瞬态光电流密度是纯BaTiO₃的20倍。在变温场和超声激励下，Ag₂O/BaTiO₃复合材料的光催化降解效率较光照条件下有显著提高。以上结果表明，铁电异质结构复合材料在废水处理领域具有广阔的应用前景。

该工作以标题“Enhanced catalytic performance of Ag₂O/BaTiO₃heterostructure microspheres by the piezo/pyro-phototronic synergistic effect” 发表于化学领域著名期刊Nano Energy上。

图文导读

图1  Ag₂O/BaTiO₃结构表征

通过液相合成工艺得到Ag₂O/BaTiO₃复合材料外观呈球形，其直径为600–700 nm。当Ag₂O/BaTiO₃的质量比为1.5:1时，可以观察到直径为40-60 nm的Ag₂O纳米粒子附着在BaTiO₃微球表面。当Ag₂O/BaTiO₃比例较低时，Ag₂O颗粒不能有效包覆在BaTiO₃微球上。当Ag₂O/BaTiO₃比例较高时，Ag₂O颗粒大量出现并分散在BaTiO₃颗粒中，影响了整体性能。TEM高分辨结果表面，晶间距离分别为0.282、0.272和0.236 nm，分别对应于四方BaTiO₃的（101）平面和Ag₂O的（111）和（200）平面。这些结果表明，所制备的样品表现为Ag₂O纳米粒子与BaTiO₃微球之间具有良好的异质结构。

图2 BaTiO₃，Ag₂O和Ag₂O/BaTiO₃的循环瞬态光电流性能

与Ag₂O光电材料不同，宽禁带铁电钛酸钡的集光效率极低。另外，其吸收边从纯BaTiO₃的330 nm移动到异质结Ag₂O/BaTiO₃复合材料的470 nm，相应地带隙分别为3.22 eV和2.48 eV。这是由于BaTiO₃和Ag₂O之间形成了异质结构，且后者的禁带较窄（计算为1.19eV）。因此，Ag₂O/BaTiO₃复合材料降低了材料内部载流子激发所需的能量，拓宽光响应范围，从而显著提高光催化性能。这是由于Ag₂O/BaTiO₃异质结构的形成，在BaTiO₃表面引入了活性表面态，意味其具有更高的光生电荷分离效率。

图3 BaTiO₃，Ag₂O和Ag₂O/BaTiO₃的污水分解能力表征

与BaTiO3或Ag₂O相比，Ag₂O/BaTiO₃表现出优异的催化活性，这是由压电/热释光效应引入极化电荷所致。Ag₂O/BaTiO₃复合材料在可见光和超声波照射下120 min内对97% MO溶液进行脱色，而Ag₂O/BaTiO₃在可见光条件下的脱色率仅为91%。该复合材料的最终光催化效率约为纯Ag₂O（70%）的1.4倍和纯BaTiO₃（40%）的2.4倍。与机械混合Ag₂O/BaTiO₃粉末（120 min内MO降解率为64%）相比，该复合材料具有更好的光催化性能。因此，这些结果表明，钛酸钡的压电光电效应可以通过形成Ag₂O/BaTiO₃微球异质结构来有效地提高光催化活性。

图4 Ag₂O/BaTiO₃的催化机理研究

在可见光下，Ag₂O纳米粒子中主要产生电子-空穴对，但电子和空穴的随机运动导致复合速率较高，从而削弱了光催化性能。BaTiO₃晶体作为一种铁电材料，由于存在自发极化，其表面具有正电荷或负电荷。当Ag₂O和BaTiO₃形成异质结时，这些极化电荷会吸引Ag₂O纳米颗粒中的空穴或电子，从而更有效地分离这些光生载流子，从而提高Ag₂O的光催化性能。当施加超声波时，钛酸钡晶体会间歇性地受到压应力，在压应力状态下，极化电荷增加，从而吸引更多的载流子，从而提高光催化性能。

总结展望