南工大许仲梓/陆春华/寇佳慧教授团队AFM：自发手性转变介导的压电-热释电协同在挥发性有机化合物水溶液饱和蒸汽光催化制氢中的应用

邃瞳科学云

2025-09-02

导读：本研究报道了一种具有自发手性转变功能的Janus结构压电-热释电光催化薄膜，用于从挥发性有机物（VOC）水溶液的饱和蒸汽中制氢。

研究背景

全球能源转型的迫切需求推动了清洁能源技术的创新。氢能因其能量密度高、零碳排放及易存储等特点，被视为实现全球能源变革的关键载体。在多种制氢技术中，光催化制氢技术凭借其可持续性与环境友好性受到广泛关注。然而，光催化过程普遍受限于光生载流子的快速复合及长波长光子利用不足，导致太阳能转化效率偏低。设计兼具光热功能的光催化材料是一种有效的双效解决方案：光热转换过程既可利用传统未被充分利用的长波长光子；又能建立局部高温区，同步降低光催化析氢过电位并再生催化活性位点；最重要的是，光热效应能提升光生载流子迁移速率，促进电子-空穴对分离。但高温在增强载流子迁移的同时也会加剧电子-空穴复合，可能削弱光热效应带来的增益。因此，需额外解决高温条件下载流子迁移无序化问题，以进一步提升光催化制氢效率。

近年来，热释电效应因其能通过温度变化产生自发内建电场，为电子迁移提供定向引导与驱动力，从而增强载流子分离与光催化效率的独特能力，在光催化研究中备受关注。热释电效应可分为初级、次级和第三热释电效应：初级热释电源于温度变化直接引起的极化改变；次级热释电指恒定应力条件下热膨胀变形产生的压电效应；第三热释电则通过非均匀温度场形成应变梯度，借助压电效应进一步增强极化响应。尽管现有研究已探索光催化中压电-热释电耦合体系，但这些系统普遍需依赖外部机械场激活压电性，如超声空化和水流的剪切力。若能在无机械刺激条件下实现自发压电-热释电耦合，将突破节能型光催化技术的瓶颈，消除对辅助能源输入的依赖。

成果简介

近日，南京工业大学陆春华/寇佳慧教授团队报道了一种具有自发手性转变功能的Janus结构压电-热释电光催化薄膜，用于从挥发性有机物（VOC）水溶液的饱和蒸汽中制氢。该薄膜可受环境湿度与光热效应双重刺激（图1）。Janus结构包含两个功能层：（1）琥珀酸改性聚乙烯醇（S-PVA），这是一种具有显著吸湿溶胀特性的水溶性聚合物；（2）铁电聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P-H），可在光热刺激或VOC吸附下发生膨胀。此外，为增强卷曲响应，研究在P-H层表面构建了精确的条纹图案模板。在潮湿环境中，S-PVA层有效吸湿溶胀（琥珀酸提升了PVA层的耐水性与机械强度），而P-H层几乎不发生形变，非对称膨胀与条纹模板结构共同诱导复合材料产生左旋卷曲。在光照下，光热效应使温度升高，S-PVA层部分脱水而P-H层发生热膨胀。由于P-H层热膨胀程度大于S-PVA层，Janus膜先解卷曲继而发生反向右旋卷曲。

本研究对比分析了六种典型VOC水溶液（包括酿酒废水、甲醇、乙醇等）的光催化制氢性能。在非均匀温度场与应变梯度共同作用下，Pt-TiO₂@P-H/S-PVA复合膜在乙醇水溶液饱和蒸汽体系中实现了336.6 μmol h^-1的产氢速率，相较于传统液相纯水分解系统提升14.6倍，且该体系在常压下表现出16.6%的平均表观量子产率。载流子动力学表征表明，压电-热释电内建电场的协同作用使光致发光强度降低44.8%，同时将光电流响应提升1016.7倍，为耦合内建电场促进光生载流子分离的关键作用提供了有力证据。COMSOL模拟揭示了温度场、力场与电场之间的多场协同作用机制。本研究成功将刺激响应型压电-热释电特性集成于光催化系统，实现了耦合VOC利用的高效制氢，构建了同步解决能源转化与环境修复的双功能光催化体系。

相关成果以“Spontaneous Chirality Transition-Mediated Piezo-Pyroelectric Synergy for Photocatalytic hydrogen production from saturated vapor of VOC aqueous solutions”为题，发表在《Advanced Functional Materials》(论文期刊号：Adv. Funct. Mater. 2025, e18394，IF=19.0)上。

论文通讯作者为南京工业大学材料科学与工程学院陆春华、寇佳慧教授，论文第一作者为南京工业大学大学材料科学与工程学院博士生魏慧敏。该研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省高等学校自然科学基金和江苏省高等学校重点学科发展项目等项目支持。

原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202518394

图文概览

图1. Pt-TiO₂@P-H/S-PVA Janus复合膜结构示意图：a) 初始状态，b) 湿度环境，c) 光热环境；d) 光催化系统中热释电效应介导的能带调控机制。

图2. a) Pt-TiO₂@P-H/S-PVA复合膜的制备工艺及结构形貌图。b) XRD谱图，c) FT-IR光谱，d) UV-vis-IR光谱。e) Pt-TiO₂@P-H样品的XPS测试谱，以及 f) C 1s、g) Ti 2p、h) f 1s 核级XPS谱。i) Pt-TiO₂@P-H和 j) Pt-TiO₂@PU表面形貌的FE-SEM图像，以及k) Pt-TiO₂@P-H表面的EDS元素映射。l) Pt-TiO₂@P-H/S-PVA, m) Pt-TiO₂@P-H/PDMS, n) Pt-TiO₂@PU/S-PVA, o) Pt-TiO₂@PU/PDMS复合膜的SEM横截面图。

图3. 样品在水蒸气和光热条件下的卷曲行为。a) 模板辅助Pt-TiO₂@P-H/S-PVA膜，b) 无模板（平面）Pt-TiO₂@P-H/S-PVA膜，c) 模板辅助Pt-TiO₂@P-H/PDMS膜。水蒸气状态记为(W)，氙灯照明状态记为 (L)。

图4. 氙灯照射下Pt-TiO₂@P-H/S-PVA复合膜的表面红外热成像图。

图5. 样品的光催化析氢性能。a) 模板辅助Pt-TiO₂@P-H/S-PVA和Pt-TiO₂@PU/S-PVA薄膜在水蒸气（W）和乙醇水溶液饱和蒸汽（EA）条件下的气相光催化析氢。b) 在（W）和（EA）条件下，模板辅助Pt-TiO₂@P-H/PDMS和Pt-TiO₂@PU/PDMS薄膜的气相光催化析氢。c) 比较模板辅助与无模板Pt-TiO₂@P-H/S-PVA薄膜在（W）和（EA）条件下的气相光催化析氢。d) 模板辅助Pt-TiO₂@P-H/S-PVA薄膜在（EA）条件下的循环光催化析氢性能。e) 在不同VOC水溶液下Pt-TiO₂@P-H/S-PVA膜的气/液相光催化析氢的对比。f)比较模板辅助Pt-TiO₂@P-H/S-PVA膜在酿酒废水处理中的气/液相光催化析氢性能。

图6. 样品的温度依赖性荧光光谱。a) 高温荧光附件示意图及压电-热释电耦合荧光测试方法。b) 高温荧光附件的升温曲线。在c) 连续加热和d) 折叠后加热期间，Pt-TiO₂@P-H膜的荧光强度随测试时间变化。在e) 连续加热和f) 折叠后加热期间，Pt-TiO₂@PU膜的荧光强度随测试时间变化。g) Pt-TiO₂@P-H和Pt-TiO₂@PU样品的相对荧光强度随时间变化（其中I₀表示初始强度，I表示测试点的强度）。h) Pt-TiO₂@P-H样品在平面、模板辅助、温度不均匀模板辅助条件下的照片，以及加热过程中对应的红外热像。i) 平面，j) 模板辅助，k) 温度不均匀模板辅助样品的荧光光谱。l) 样品相对荧光强度随时间的变化。λ_ex= 350 nm。

图7. 样品的光电流测试。a)光电流测试示意图。b) 电解液温度变化曲线。在初始条件，200 rpm搅拌，以及搅拌和60℃升温的共同作用下，c) 平面Pt-TiO₂@P-H膜，d) 平面Pt-TiO₂@PU膜，e) 模板辅助Pt-TiO₂@P-H膜，f) 模板辅助Pt-TiO₂@PU膜的光电流曲线。