【材料】压电电子学增强的纳米Au/BaTiO3异质结构的等离激元光催化作用

来源：X一MOL

压电光催化是基于压电电子学和光催化反应机理，通过施加外部应力引起阳离子和阴离子的电荷中心不对称，产生内部电场，驱动光生载流子分离，将外部环境的机械能转换成化学能。近期，压电异质结构的应用引起了广泛关注，中国科学院北京纳米能源与系统研究所的孙其君研究员与王中林院士研究团队以及北京邮电大学理学院的郭丽敏副教授合作，基于压电电子学的原理，制备了一种新型的Aux/BaTiO3纳米异质结构。他们利用BaTiO3的压电效应进一步增强了SPR诱导的光生载流子分离，有效地改善了光催化过程。这项工作将压电效应引入等离激元光催化，增强了Aux/BaTiO3异质结构的光催化作用，为污染物处理等光催化体系提供了新的选择途径。

在传统压电材料中，施加外部应力可建立内部电场，内部压场驱动下能够促进电子空穴对的分离。在新兴压电电子学和压电光电子学领域，耦合压电性能与半导体性能的纤锌矿材料利用压电势有效调节载流子传输。因此，开发更有效的异质结构压电催化剂以进一步提高光催化效率具有很大的空间。具有局域表面等离子共振（LSPR）的弥散贵金属纳米晶是光催化领域的研究热点。因此，作者利用表面“热”电子和压电势的耦合，在BaTiO3纳米压电体上装饰Au纳米颗粒，将LSPR与压电光催化结合起来，以改善压电/太阳光降解有机染料的催化活性。压电异质结构为制备高性能的光催化剂提供了一种简单且低成本的方法。

图1. (a) Aux/BaTiO3异质结构的制备工艺；(b-d) Aux/BaTiO3异质结构的SEM成像(x= 2,4,6)；(e) Au4/BaTiO3的TEM成像；(f)和(g) Au4/BaTiO3的HRTEM成像。图片来源：Adv. Funct. Mater.

在该工作中，作者制备了Aux/BaTiO3纳米异质结构，通过引入压电效应来增强等离子体光催化作用。BaTiO3纳米晶在超声处理时的压电极化抑制了来自LSPR的光生电子-空穴对的复合，通过诱导更多自由基形成而有效地改善了光催化过程。他们研究了Au负载量、微观形貌和异质结构光学性质对染料光催化降解的影响。等离子体光催化（AuNPs）和压电效应（BaTiO3）的协同作用有效地促进了Aux/BaTiO3异质结构的光催化活性。Au纳米颗粒均匀沉积在BaTiO3纳米立方体的表面，两种晶体紧密接触可以促进激发的电子从Au纳米颗粒转移到BaTiO3基底。

图2. 压电增强光催化机理示意图。图片来源：Adv. Funct. Mater.

Au4/BaTiO3纳米异质结构具有优异的光学性能，在BaTiO3纳米立方体上装饰Au纳米颗粒后，由于AuNPs诱导的SPR，光吸收截面随着Au含量的增加而显着改善，且Au4/BaTiO3异质结构中光生电子-空穴对的复合率较低，并具有优异的电子分离和转移性能。Au4/BaTiO3在全光谱光照射和超声激发下表现出最佳的光催化性能。超声振动有效地诱导了BaTiO3纳米立方体中的压电极化。内置电场有助于增强光生电子-空穴对在异质结构界面处的分离和传输，并促进自由基产生，进一步氧化有机化合物。该工作利用压电势和等离子体光催化过程的耦合，实现了高效压电效应增强的等离子体光催化活性，表明压电等离子体光催化是一种新兴且有效的用于环境净化的先进污水处理技术。

相关研究成果发表在Adv. Funct. Mater.上，文章的第一作者是中科院纳米研究所的硕士研究生徐姝雅和北京邮电大学的副教授郭丽敏。

Piezotronic Effect Enhanced Plasmonic Photocatalysis by AuNPs/BaTiO3 Heterostructures

Shuya Xu, Limin Guo, Qijun Sun, Zhong Lin Wang

Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1808737, DOI: 10.1002/adfm.201808737

孙其君研究员简介

孙其君，青年研究员，博士生导师，功能化柔性电子课题组负责人；2007年获山东大学学士学位，2010年获韩国暻园大学硕士学位，2013年获韩国嘉泉大学博士学位；2013-2015年分别在韩国浦项工业大学（POSTECH）和韩国成均馆大学先进纳米技术研究院（SAINT）从事博士后研究，参与韩国科技部先进柔性电子研究项目和韩国BK21项目；2015-2016年在成均馆大学先进纳米技术研究院任职研究教授。

孙其君的主要研究方向为有机电子器件（有机场效应管）、石墨烯电子器件、基于柔性石墨烯电子的电子皮肤、微纳米加工和透明导电膜等，并在其基础上对人机交互和人体健康监测等领域进行拓展应用研究，在低压驱动石墨烯电子皮肤、压电电势驱动石墨烯电子皮肤和多功能可延展全石墨烯电子皮肤等方面取得了多项创新性研究成果；在国际知名杂志（Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Nano Energy、Nanoscale等）发表论文30余篇，多次参加重要国际会议并作邀请报告；目前主持国家自然科学基金2项，参与科技部“纳米科技”重点专项。

孙其君课题组主要研究方向为：柔性晶体管阵列式电子皮肤、压电/摩擦电势调控二维材料半导体器件和可穿戴能源采集/存储电子器件等。

孙其君

https://www.x-mol.com/university/faculty/63904

王中林

https://www.x-mol.com/university/faculty/48479

科研思路分析

Q：这项研究最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？

A：如上所述，我们的研究兴趣是研究开发新型压电光催化材料。压电材料的内部压电势可以驱动自由电子流过外部电路，也能够促进光生电子空穴对的分离。但是，大多数压电材料由于较差的导电性能，限制了电荷载流子在自身及活性材料界面间的传输。我们的目标很简单，就是通过材料复合，将压电材料与光催化材料结合，从而开发更有效的异质结构压电催化剂以进一步提高光催化效率，为制备高性能光催化剂提供了一种简单且低成本的方法。

Q：研究过程中遇到哪些挑战？

A：该研究中最大的挑战是如何控制压电极化过程以及纳米颗粒的密度调控，找到优化的沉积及极化条件，以获得高效、具有优异性能的催化材料。

此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要不少压电电子学方面的背景知识，而我们的团队主要来源于化学和材料专业，因此在电子器件方面知识储备不足，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。

Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？

A：该压电等离子体光催化材料在有机染料降解方面表现优异，因其具有很高的光催化活性，可高效降解污染物，又因能在机械应力和太阳光驱动下工作，可以降低污水处理成本，因此可广泛用于环境保护及恢复等方面。该工作利用压电势和等离子体光催化过程的耦合实现了高效压电效应增强的等离子体光催化活性，表明压电等离子体光催化是一种新兴且有效的用于环境净化的先进污水处理技术。