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由于工业活动中产生有毒化学物质和致病菌造成的水污染正威胁人们的健康，因此需要采用先进的方法来处理受污染的水。压电催化作为新兴的高级氧化工艺有望在污水处理，消灭有害菌等领域发挥作用。过去几年中，相关研究人员致力于压电催化的机理研究，发现了通过形貌调控、外场极化、掺杂等实现压电系数的优化是提高催化效率的关键。此外，通过复合以及多激励源输入能够同时提高能源利用率与催化效率。及时对近期研究成果进行总结和分析，进一步明确压电催化研究现状是很有必要的。
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在气候变化、淡水萎缩和快速工业化的背景下，饮用水中有毒化学物质和致病菌在不断增加，对人们的健康产生极大危害，科学家开始探索新的水处理方法。这里我们重点关注一种之前被忽视的降解有机污染物和抑制细菌的方法：压电催化。最近的研究表明纳米级压电材料由于高表面积和拥有内置电场，其催化性能比起块体材料有了显著的提高。受力下，材料中有效的载流子能促进活性物质的生成。文中详细介绍了细菌的生长机制、常规水处理方法和压电催化机理，重点讨论了活性氧的产生、空化作用和细菌灭活过程。去除水中染料分子和致病菌是压电催化的典型应用领域，压电材料在这些领域大有可为。
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宏观上，压电效应产生电荷是个必然的过程。但拉伸和压缩过程的输出相反，如果此时在压电材料两端外接电流表，则会看到在拉伸和压缩过程中指针来回偏转并与施加力的大小成正比。微观上，在整个压电催化过程中，超声空化作为应力源激活了压电催化剂。超声过程中伴随着空化气泡的成核，生长以及爆炸，在爆炸瞬间产生的高温，高压可以使导带中的电子跃迁后与催化剂表面活性物质反应生成自由基（图1）。
图1.（a）气泡空化和饱和坍塌的物理机理。（b）细菌细胞膜上气泡的机械效应。（c）气泡破裂后声学化学活性氧（ROS）的产生机制及其对细菌的影响。（d）空化和生成中间体响应中的声致发光。
采用压电催化剂处理微生物，可有效提高超声振动下微生物的失活率。无超声则无法破坏细菌的防御系统，无压电催化剂无法提供有效的活性氧，两者缺一不可。众所周知，大多数细菌都具备抗氧化性能，否则无法在恶劣的环境中生存，特别是一些原核细胞在氧化环境中会启动防御功能来中和活性氧。这就使得压电效应产生的载流子与溶液反应生成的活性氧失效，达不到很好的除菌效果。应用超声振动来破坏细菌的代谢电子链，削弱细菌防御能够使压电催化产生的活性氧得到充分利用，最终达到灭菌的目的。简而言之，一旦细胞膜受损，细胞内的有机分子便会暴露在自由基环境中发生氧化还原反应导致细菌死亡（图2）。此外，压电催化剂在空化效应下实现周期性的形变以源源不断的产生载流子让灭菌行动一直持续下去。因此，压电催化剂与超声振动的结合不得不说是除菌的“利器”。
图2.（a）电子链反应通过烟酰胺腺嘌呤（NADH）转化为烟酰胺腺嘌呤（NAD），二磷酸腺苷（ADP）转化为五磷酸腺苷（ATP）。二核苷酸（NADH）转化为烟酰胺腺嘌呤（NAD），二磷酸腺苷（ADP）转化为5-三磷酸腺苷（ATP），导致细胞膜内产生活性氧（ROS），随后出现细胞间损伤。（b）革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌的细胞膜因氧化应激而暴露和损坏。
提起压电催化往往给人的第一印象便是越容易形变催化效果会越好。事实确实如此，通常1D纳米线和2D纳米片相对于3D纳米颗粒更容易形变而获得更高的催化效率。例如，BaTiO3纳米线压电催化降解染料的效率要远高于BaTiO3球形纳米颗粒。不同形貌之间的组装形式也会进一步影响催化效率，这主要得益于形貌协同之间产生的大的压电效应以及缩短了离子输运距离。Bi4Ti3O12纳米片的单联、交联以及多联的压电催化实验进一步验证了以上观点。此外，增加纳米线的长径比以及最大限度的降低纳米片的层数是增强催化效率的简便方法（图3a）。
载流子作为压电催化过程中的关键对压电催化起着决定性的作用。其中载流子浓度决定了反应活性物质（自由基）的浓度，载流子迁移速率决定了反应进程的快慢。提升方法上，我们可以直接选用本征载流子浓度和迁移速率较高的压电材料作为催化剂，比如选择MoS2。其作为层状压电材料的代表，本征载流子浓度和迁移速率分别可以达到4.04×1015cm−3以及12.9 cm−2 V−1S−1。另外，还可以通过外部调控增加载流子浓度和迁移速率，如高温退火、离子掺杂、外场极化等。
图3.（a）不同形貌MoS2对大肠杆菌的降解率。（b）BiOX(X=Cl, Br, Cl0.166Br0.834)/BaTiO3复合型光-压电催化剂的反应机理。（c）钛酸钡低频压电催化示意图。（d）BTO陶瓷的压电催化活性对比。
将光敏催化剂或贵金属与高效压电催化剂复合，是实现光-压电耦合催化的有效途径。一方面，光敏催化剂在光激励条件下产生的光生载流子可直接与压电载流子移动至催化位点实现协同催化（图3b）。另一方面，以银铂金为代表的贵金属可进一步为反应提供活性位点并且表面等离子体共振效应也可作为电子源为系统提供热电子。
通常，固相法烧制的压电陶瓷的压电系数要远高于其他方法制备的纳米材料。最近，BaTiO3，Ba0.85Ca0.15Ti0.9Zr0.1O3，BaZr0.02Ti0.98O3，NaNbO3等压电陶瓷皆向人们展示了其优异的压电催化去污能力（图3d）。此外，除了单纯的利用压电陶瓷颗粒之外，利用压电陶瓷组装的压电悬臂梁的合理设计也展示了其优异的压电催化性能（图3c）。
最后，作者对压电催化剂现存问题和提升手段进行了总结。文章认为，提高催化效率的首要任务是提高压电催化剂的压电系数；另外对于那些具有高压电系数但拥有大的带隙的环保型压电材料，要开展能带工程优化带隙。在复合压电材料设计方面，通过控制结晶度，缺陷和界面来防止载流子的复合是其中的关键。在形貌降维调控方面，可通过合成具有合适尺寸的纳米结构减少电荷迁移距离，如二维薄片、纳米线、纤维片和中空球等。
04
杨耀东，齐鲁工业大学教授。主要从事智能材料与智能系统领域的研究。研究方向包括：铁电材料在能源转化领域的应用、人工智能辅助3D打印复杂结构（陶瓷打印，多材料打印）。在Nature Materials等国际著名杂志发表论文100余篇，H因子为24。
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https://doi.org/10.1007/s10311-022-01537-3
内容：陈龙斌
排版：杨柳
编辑：李明
审核：魏晓勇
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期刊简介
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JAD是由姚熹院士创办并担任主编的英文学术期刊，由新加坡世界科技出版集团（WSPC）和西安交通大学国际电介质研究中心（ICDR）共同主办。它以电介质研究为特色，涵盖电介质基础研究、压电、铁电、薄/厚膜、多铁性材料、工程电介质等研究领域。旨在为国际上从事电介质学术研究的学者提供一个集中展示交流最新研究成果的平台，促进学术界对电介质理论及应用研究不断深入。目前JAD为双月刊，被ESCI、Scopus、CA、CNKI、DOAJ等多种检索数据库收录。
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