第一作者：王昱文
通讯作者：高超民、张丽娜
通讯单位：济南大学
论文DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111067
压电光催化系统通过整合压电极化效应与光催化技术优势在水分解领域具有重要应用前景。本工作通过原位水热法构建了具有界面共享(Bi2O2)2+单元的CaBi2Nb2O9-BiOCl异质结（CBN-BOC-H），首次通过原子级界面共享电荷转移桥和卤素诱导的额外压电特性，以“一石二鸟”策略同步解决电荷转移动力学缓慢与晶格失配严重等关键科学问题。该策略显著提升了压电-光催化纯水分解性能，其H2和H2O2产率在120分钟内分别达到1753.2 μmol g-1和1071.2 μmol g-1，为设计高效压电-光催化剂提供了新思路。
随着环境污染与能源危机日益严峻，开发基于太阳能和机械能等可再生能源驱动的可持续能源转化技术对于缓解环境压力具有重要意义。基于异质结的压电-光催化技术通过压电极化场有效促进光生载流子的分离，突破了传统光催化体系的效率限制，在水分解制备清洁能源和高附加值化学品领域展现出显著优势。然而，迟缓的界面电荷转移动力学和晶格失配导致的载流子复合问题严重制约了其催化性能。传统的异质结构筑方法往往由于组分随机堆叠而形成高能垒界面，而原子级界面工程虽可优化电荷传输路径，却难以同时实现压电性能的有效调控。因此，如何通过一体化策略协同提升电荷传输效率和压电极化效应，成为该领域亟待解决的关键科学问题。
1） 通过精确形貌调控，首次构建了以界面(Bi2O2)2+为共享结构单元的CaBi2Nb2O9-BiOCl异质结(CBN-BOC-H)。该共享(Bi2O2)2+层作为原子级电荷转移通道，显著降低界面晶格失配。
2） 通过系统调控BiOX（X=Cl, Br, I）中卤素种类，证实Cl的高电负性可有效诱导(Bi2O2)2+层结构畸变，从而增强其本征压电性能。
3） 结合理论计算与实验表征，揭示了原子级电荷转移桥与额外压电场的协同作用机制，证实其可有效驱动S型电荷分离路径，使载流子迁移效率提升4.9倍。
4） 在不使用牺牲剂和助催化剂的条件下，CBN-BOC-H展现出卓越的纯水分解活性，在120分钟内H2和H2O2产率分别达到1753.2 μmol g-1和1071.2 μmol g-1。
图1 CBN-BOC的合成
首先，本研究采用熔盐法成功制备了CaBi2Nb2O9（CBN）材料，并通过原位水热法在其（001）晶面实现了BiOCl（BOC）纳米片的可控生长。通过调控水热反应条件，促进了BOC沿CBN（001）晶面的外延生长，且BOC以单层Cl原子作为终止界面，最终与CBN形成稳定的界面(Bi2O2)2+共享结构，构建出具有独特界面共享特性的CBN-BOC-H异质结。为验证界面共享结构的关键作用，同步制备了不具有共享界面的CBN-BOC-V异质结作为对照样品（图1）。
图2 CBN-BOC的形貌表征
图3 CBN-BOC的结构表征
SEM、TEM与AFM所展示的显微结构表明，BOC在CBN-BOC-H和CBN-BOC-V体系中呈现出明显不同的形貌特征。值得注意的是，逆FFT图中晶格排列的高度一致性证实了CBN-BOC-H样品中BOC（001）晶面沿CBN[001]方向的取向生长行为，这充分验证了形貌调控对界面晶格匹配的促进作用。结合EDS线扫描、XRD及XPS等表征手段，系统证实了两种异质结材料的成功构建及其结构差异性（图2，图3）。
图4 CBN-BOC的能带结构及光电性质
图5 CBN-BOC的KPFM图
综合UPS和UV-vis DRS能带分析结果，结合ISI-XPS与EPR表征揭示的光生载流子迁移路径，证实了CBN-BOC异质结遵循S型电荷转移机制。TRPL、EIS、瞬态光电流测试及KPFM表面电势分析进一步表明，界面共享的(Bi2O2)2+单元作为原子级电荷转移通道，显著提升了CBN-BOC-H体系的界面电荷传输效率（图4，图5）。
图6 CBN-BOX-H (X=Cl, Br, I)的PFM测试
图7 CBN-BOX (X=Cl, Br, I)的压电振幅曲线测试及压电-光电性能测试
为探究界面卤素原子与共用(Bi2O2)2+单元对异质结压电性能的增强机制，采用PFM系统表征了CBN-BOC-H样品的压电性，并将CBN-BOB-H与CBN-BOI-H作为对照以明确卤素种类对压电极化性能的调控规律。相较于CBN、CBN-BOB-H及CBN-BOI-H，CBN-BOC-H在振幅图中呈现最明显的对比度，这归因于Cl原子相较于Br、I具有更高电负性与更小原子半径，使其能够从Bi原子获取更多电荷并引发更强极化。该现象可以从压电-振幅曲线中展现出的最大斜率及最强的压电-光电信号中得到进一步证明（图6，图7）。
图8 CBN-BOX (X=Cl, Br, I)的压电光催化纯水分解性能
基于以上对共享(Bi2O2)2+单元在光电与压电性能中关键作用的分析，进一步探究了原子级电荷传输通道及卤素诱导的压电极化效应对催化水分解性能的促进。在无牺牲剂与助催化剂条件下，CBN-BOC异质结表现出优于单组分的光催化活性，这归因于S型异质结有效抑制了载流子复合。超声辅助下，得益于其高效的电荷传输通道和增强的压电响应，CBN-BOC-H展现出最优的压电光催化性能。此外，卤素电负性差异导致催化活性呈现CBN-BOC-H > CBN-BOB-H > CBN-BOI-H的规律，这证明了高电负性的Cl原子通过诱导(Bi2O2)2+结构畸变显著提升了压电性能。此外，超声环境优化实验表明，在110 W的超声功率、Ar氛围时，体系可达到最佳压电光催化性能（H2：1753.2 μmol·g-1，H2O2：1071.2 μmol·g-1）（图8）。
图9 CBN-BOC的差分电荷密度计算与性能增强机理图
进一步通过密度泛函理论计算揭示了(Bi2O2)2+共享单元的电荷调控机制。电荷密度差分析表明，CBN-BOC-H界面处存在显著的电荷重分布（CBN侧耗散4.48 e，BOC侧富集），较CBN-BOC-V（2.04 e）展现出更强的内建电场。平面平均电荷密度分析进一步证实，共享界面诱导的电荷重构具有高度局域化特征。该理论计算结合实验结果共同阐明了界面电子转移通道与压电效应协同提升压电光催化性能的机理：1）能带弯曲形成的内建电场驱动S型电荷转移，保留高活性载流子；2）共享(Bi2O2)2+单元将载流子传输路径缩短至原子尺度；3）Cl诱导的结构畸变使异质结压电系数达574 pm/V，为性能提升的关键因素（图9）。
本研究创新性地通过原位水热法构建了具有界面共享单元的CBN-BOC-H压电光催化体系，利用界面共享(Bi2O2)2+单元构建原子级电荷传输通道并同时通过Cl诱导的结构畸变赋予本征非压电的(Bi2O2)2+单元压电特性，在原子级界面工程和压电性能调控方面取得重要突破。能带工程构建的高效S型电荷转移路径和双电场协同作用机制，使体系展现出优异的纯水分解性能。密度泛函理论计算与实验表征共同证实，原子级电荷传输桥梁通过消除界面势垒显著提升了电荷分离效率。该工作为设计高效压电光催化材料提供了新思路，未来研究可进一步拓展该策略至其他层状材料体系，开发更精确的界面调控方法，并探索实际应用场景下的性能优化路径，推动清洁能源转换技术的发展。
Yuwen Wang, Chaomin Gao, Haihan Yu, Shanshan Li, Shuai Wang, Xiaoran Dou, Lina Zhang, Jinghua Yu, Xin Cheng, The synergy of atomic-level charge transfer bridges and extra piezoelectric electric field endow efficient pure water splitting into H2O2 and H2, Nano Energy, 2025, 140, 111067.
https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111067
王昱文，济南大学建筑材料制备与测试技术重点实验室博士研究生，师从程新教授，研究课题为钙钛矿基异质结光催化剂的制备及其光催化性能研究。以第一作者在Nano Energy、Int. J. Hydrogen Energy.、Appl. Surf. Sci等知名国际期刊发表论文3篇。
程新，济南大学教授，博士生导师，兼任中国硅酸盐学会副理事长、教育部高等学校材料类专业教学指导委员会委员、中国建筑材料联合会专家委员会委员等。获全国优秀教师、国务院政府特殊津贴等荣誉，入选俄罗斯工程院外籍院士，山东省“泰山学者攀登计划”。先后获国家技术发明二等奖2项（首位），省部级科学技术一等奖4项（首位），主持国家“863”计划、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金重点基金等项目20余项，出版著作5部，获授权国内外发明专利90余件，发表SCI收录学术论文200余篇。
高超民，济南大学化学化工学院副教授，硕士生导师，香江学者计划入选者，山东省高等学校优秀青年创新团队带头人，新质力材料发展联盟专家智库常务理事，Journal of Analysis and Testing、Carbon Neutralization期刊青年编委。研究方向为功能纳米材料的设计制备及其在生物传感与人工光合作用等方面的应用，主持国家/省部级等项目6项，以第一/通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Anal. Chem.等期刊发表SCI收录论文30余篇，获授权发明专利3项。
张丽娜，济南大学建筑材料制备与测试技术重点实验室副教授，硕士生导师，泰山学者青年专家。主要研究方向为表面功能化、超敏传感器件和光催化。主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目，山东省重点研发计划项目、企业合作项目等10余项，在Adv. Mater.、Cement. Concrete Comp.、Constr. Build. Mater.等杂志发表论文20余篇，申请授权专利10余项。
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