齐鲁工业大学MTE：异质结压电催化处理污水

原创陈龙斌杨耀东研之成理

▲第一作者：Ahsan Ali

通讯作者：杨耀东饶伟锋

通讯单位：齐鲁工业大学

研究背景

由于工业生产的快速发展，污染物的随意排放，使得水中大量滋生细菌，清洁水资源急剧减少。为了满足人们用水的需要，减少水中的污染物，发开新的污水处理方案是很有必要的。

压电材料可以把震动能转化为电能。除了常规的被用于换能器和传感器之外，具有良好压电响应、高自发极化的无铅压电材料还可以把这种能力用于催化过程。但单纯的压电材料由于自身的局限，很难达到良好的催化去污效果。为了提升材料的催化能力，杨耀东团队通过将P型半导体与N型无铅压电材料组成异质结。界面上的电荷层促进了电子空穴的分离，有效的提升了材料的催化性能，最终反映在抗菌能力的提升。新合成的复合材料将压电催化效率提高了15%以上。

拟解决的关键问题

电子空穴对的复合导致催化效率低。

研究思路剖析

通过选择合适的P型Cu₂MgSnS₄（CMTS）半导体和N型BaTiO₃（BTO）铁电材料，构建P-N型异质结延长电子空穴对的寿命。

图文简介

▲图1. Cu₂MgSnS₄-BTO复合材料的制备流程以及HRTEM、XRD数据。

要点1.

考虑到催化剂和助催化剂内的电荷分布，选择P型Cu₂MgSnS₄和N型铁电体组成P-N型异质结。一方面，可以有效的改进材料整体的电导率；另一方面，利用异质结界面的电荷层可以有效解决电子空穴对复合的问题。

▲图2. 不同复合比例的Cu₂MgSnS₄@BTO材料的压电催化降解能力对比。

要点2.

为了研究不同复合比例对于压电催化效率的影响，分别将不同比例的样品至于黑暗环境下进行降解试验。首先静置30min来达到样品和染料（模拟污染物）的吸附-解析平衡，排除催化过程中由于样品吸附导致的实验误差。实验过程中我们采用超声波清洗机为样品提供机械震动来实现压电催化。不同组分的样品分别放置在振动频率为40KHz，功率为80W的超声清洗机中进行反应，实验时间为180min。

▲图3.不同组分样品的压电催化性能对比，以及可能的催化反应过程示意图。

要点3.

选用比例为1：1、2：1、1：2的样品与纯的Cu₂MgSnS₄和BTO进行对比，进一步研究不同样品的压电催化活性。实验对比显示组分为1：1、2：1的样品对甲基蓝和甲基绿分别实现了98%和88%的降解，而纯的BTO和Cu2MgSnS4的降解率没有超过70%，表明了复合体对于催化效果有明显的提升。超声过程中会产生空化气泡，当气泡增长到一定尺寸时发生微爆炸，爆炸过程中产生的局部高压会导致压电材料形变并释放出电荷。当两种材料的界面建立起一个稳定的耗尽区后，产生的电荷载流子开始向表面扩散形成平衡。此时，连续的微爆炸使得电子在BTO表面聚集，同时使得空穴在Cu₂MgSnS₄表面聚集开始并参加相应的化学反应，在反应过程材料中两侧的电子和空穴达到了平衡。电子和空穴与周边反应生成超氧自由基和羟基自由基，他们具有强的氧化还原性。

▲图4 有机染料会促进细菌生长（见a柱状图和b机理图），不同比例的样品对于不同有机染料培养的菌落的灭活能力不同，以及可能反应机理（f）。

要点4.

为了揭示细菌菌落对于有机物的依赖性，分别利用有机染料甲基绿、甲基蓝作为营养液观察细菌的生长。实验表明，有机污染物在一定程度上促进了细菌的增长。为了验证压电催化可以抑制污染物中细菌的生长，分别利用压电材料对甲基绿、甲基蓝培养的大肠杆菌和金黄色葡萄球菌进行超声处理。在经过180min的超声实验之后，发现具有压电效应的材料均表现出抑制细菌增长的能力。

意义分析

这一研究成果揭示了水中的污染物会促进有害菌落生长，使用Cu₂MgSnS₄@BTO为代表的的压电复合材料不仅可以高效的降解有机污染物，还能有效的抑制有水中有害微生物的生长。进一步表明压电催化处理被污染的水是一种高度生态友好的氧化工艺，具有巨大的应用潜力。

原文链接

A. Ali, J. Zhao, R. Yao, S. Ahmed, L. Wang, B. Guo, W.-F. Rao, Y. Yang, Stimulated piezotronical decontamination using Cu₂MgSnS₄ modified BaTiO₃, Materials Today Energy,

https://doi.org/10.1016/j.mtener.2021.100717.

作者简介

杨耀东，齐鲁工业大学教授，博士生导师。长期从事智能材料与智能系统的研究，其中包括：使用人工智能挖掘实验数据来开发高性能智能材料，利用增材制造技术快速制造压电陶瓷。目前在Nature Materials、Small等国际著名杂志发表论文85篇，出版学术著作1本，H因子为20。

饶伟锋，博士生导师。入选了江苏省高层次创新创业（双创）人才计划和“江苏特聘教授”项目。长期从事智能材料、材料微观组织与性能的研究。研究成果已在npj Computational Materials, Physical Review Letters, Nano Letters, 和Acta Materialia等重要期刊上发表50余篇文章，部分成果被Nature等顶级期刊引用，多次被选为杂志封面。

期刊介绍