苏黎世联邦理工Nano Energy: 调节Bi4Ti3O12纳米片中的氧空位以提高压电光催化活性

压电光催化已成为解决环境污染和快速增长的能源短缺问题的一种有效的策略。然而，压电光催化剂的电荷分离效率仍然不理想，这严重限制了该方法的进一步发展。因此，通过对压电光催化剂进行修饰改性以提高其催化效率具有重要意义。

近日，苏黎世联邦理工学院Salvador Pané和Wu Jiang等一系列不同氧空位(O_V)浓度的Bi₄Ti₃O₁₂(BIT)纳米片(BIT-O_V)，并对其光催化性能、压电催化性能和压电光催化性能进行了研究。

使用罗丹明B (RhB)作为模型污染物，研究人员测试了BIT-O_V催化剂的压电光催化性能。结果表明，与原始BIT纳米片相比，具有优化的O_V浓度的BIT表现出优异的压电光催化活性，其对罗丹明B (RhB)的降解速率常数(k=0.214 min⁻¹)增强了2.2倍。

此外，研究人员利用密度泛函理论(DFT)研究了O_V对吸附能和Bader电荷的影响，确定了O_V能够改善压电光催化活性。具体来说，O_V的引入增加了反应中间体的吸附能和Bader电荷，从而增强了O₂/H₂O和BIT之间的电荷转移，从而促进了催化过程。

研究人员总结了BIT-O_V纳米片的压电光催化降解机理：在超声振动作用下，BIT纳米片在空化压力作用下发生变形，正负电荷在相反的晶体表面聚集形成电场；在光辐照和超声振动共同作用下，BIT同时产生压电极化和光生载流子；在压电极化的驱动下，光生载流子能够有效地分离并快速迁移到表面，大大降低了复合速率。

此外，压电极化还可以使能带倾斜，使价带更负，导带更正，因此，当压电催化和光催化共同作用时，大量的电子和空穴可以与氧或水分子发生氧化还原反应，从而产生更多的自由基和更高的催化效率。

总的来说，这项工作将促进对O_V对压电光催化活性的影响的更深入的理解，也为设计结合机械振动和太阳辐照降解污染物和产生活性氧的高效催化剂提供新的策略。

Tuning Oxygen Vacancies in Bi₄Ti₃O₁₂ Nanosheets to Boost Piezo-photocatalytic Activity. Nano Energy, 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108202

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​苏黎世联邦理工Nano Energy: 调节Bi4Ti3O12纳米片中的氧空位以提高压电光催化活性