第一作者：张博凡
通讯作者：雍阳春，张博凡
通讯单位：江苏大学
近日，江苏大学雍阳春团队张博凡在国际化学权威期刊《Coordination Chemistry Reviews》（IF: 20.6）发表了题为“Piezoelectric Effect Coupled Advanced Oxidation Processes for Environmental Catalysis Application”的综述论文（DOI：10.1016/j.ccr.2024.216234）。随着工业化的加速发展，环境污染问题日益严峻，环境修复已成为亟待解决的关键课题。近年来，压电催化技术的迅猛发展为传统催化过程带来了革命性转变，尤其在摆脱对光能和电能依赖方面展现出良好前景，彰显其在可持续环境治理中的巨大潜力。本文系统综述了压电材料的最新研究进展、表征技术及其在环境净化中的实际应用，内容涵盖压电催化、压电光催化及其多元协同催化体系。此外，文章还深入剖析了当前压电催化技术所面临的关键挑战，并提出了相应的发展策略。本综述旨在加深对压电催化及其在基于压电驱动的高级氧化过程（AOPs）中应用的理解，强调其作为应对复杂环境污染问题的潜在解决方案的现实意义与未来发展前景。
近年来，环境问题日益严峻，新能源的开发与替代已成为当务之急。压电催化作为一种新兴技术，其迅猛发展为传统催化过程带来了革命性且可持续的转变，突破了对光能和电能输入的依赖。压电材料在受到机械应力作用时能够产生电能，该过程源于材料内部极化行为，即正负电荷在应力驱动下向相对两侧迁移，从而形成内建电场。只有具有非中心对称结构的材料在发生形变时才能产生压电势，并驱动能量的有效转移。压电效应不仅可激发电荷载流子，还能诱导生成多种活性氧物种（ROS），从而推动氧化还原反应的发生。然而，压电激发产生的电子与空穴容易发生复合，且压电极化效应及表面载流子的利用效率较低，限制了其在高吉布斯自由能需求反应中的广泛应用。鉴于压电催化过程的独特物理机制，将其与高级氧化工艺协同耦合，既有望显著提升催化效率，也有助于深入解析其反应机制，具有重要的研究与应用价值。
压电材料因其在居里温度（Tc）以下可通过压电效应实现机械能与电能之间的互相转化，已在能源转换与环境治理等领域展现出广泛的应用前景。目前已知的32种晶体点群中，包含11种中心对称结构与21种非中心对称结构。需特别指出的是，唯有非中心对称晶体在外部机械应力作用下才能展现压电效应。近年来，非铅金属基与有机压电材料的研究取得了显著进展，极大拓展了压电材料的体系与应用范畴。此外，非中心对称晶体可进一步细分为压电材料、铁电材料与热电材料，其中铁电材料与热电材料皆属于压电材料的子集，三者之间的关系如图所示（图1）。依据材料的各向异性特征，压电性能通常通过四类压电系数进行表征：压电应变系数（d₍ᵢⱼ₎）、电压系数（g₍ᵢⱼ₎）、应力系数（e₍ᵢⱼ₎）及刚度系数（h₍ᵢⱼ₎），分别用于描述材料在电场、位移、应变或应力等多种响应过程中的压电行为。
图1 压电催化材料分类、发展历程及压电催化类型（压电、热电和磁电）
通常，压电材料需同时满足若干前提条件方可有效诱发压电效应，包括具备固有的压电特性、在外力作用下产生机械应变，以及具备有利于极化形成的适宜厚度。此外，压电催化过程主要由三个核心阶段构成：电荷载流子的生成、迁移及其参与氧化还原反应。对这三个阶段的深入理解，对于构建提升压电催化效率的系统性策略至关重要。当前研究普遍认为，优异的压电催化性能依赖于：高效的载流子产生速率，快速且有效的电荷分离与迁移能力，以及与目标反应高度匹配的氧化还原活性。基于上述三方面，本文进一步归纳并提出了针对性增强策略，具体见图2所示。
图2. 压电催化性能提升策略
随着难降解微污染物-包括抗生素、内分泌干扰物、持久性有机污染物及微塑料-在环境中不断累积，其高稳定性和生物富集特性使其成为威胁水生生物、生态系统及人类健康的严峻环境问题。针对这一挑战，压电催化作为一种新兴催化技术，因其能够高效地将机械振动能转化为电化学能，促进催化反应的进行，因而备受关注。在特定的压电催化体系中，机械力作用引发内部压电电荷的有效分离，形成催化剂内部的内建电场。在该电场驱动下，激发电荷迁移至催化剂表面，参与催化反应。此过程展现出极大的应用潜力，涵盖有机污染物降解、重金属还原、杀菌消毒及二氧化碳转化等多个环境与能源领域。图3系统性地总结了压电催化在环境修复方面的最新进展与实际应用，重点阐述了其在环境治理中的关键作用。
图3. 压电催化耦合高级氧化技术
目前，压电催化反应的主要激发能量来源为超声波，通常采用频率范围为20–100 kHz的超声探头或超声水浴装置。超声波所产生的机械振动能够为压电材料提供足够的应力，诱导其形变与极化，从而驱动相应的氧化还原反应。基于压电材料对机械刺激的高灵敏性，相关研究已开发出微型超声能量采集装置，实现了能量的高效收集与实际应用。与此同时，鉴于能源来源的多样性及能耗问题，开发适用于自然环境中普遍存在的机械能，尤为关键，能够显著拓展压电催化的应用范围。在各类可再生机械能中，水动力机械能（包括海洋、河流及城市排水系统等）备受关注。此类机械能不仅作为能源来源，同时也是压电材料在水相环境中的传输介质，广泛应用于水分解、CO2还原、废水净化及消毒等领域。此外，涡旋诱导的剪切力能够通过压电材料的振动将水流动能高效转换为电能。除水力机械能外，气泡驱动压电催化、球磨技术，以及膜过滤与压电催化技术的结合，均为压电催化技术迈向实用化提供了有力支撑。同时，低频机械激励系统的开发及其实用装置的集成，展现出该技术在可持续能源转换与环境修复领域的广阔应用前景。
图4. 实际应用压电催化装置以及驱动力
压电效应所具有的独特特性为压电催化工艺在环境领域的多元化应用开辟了新的可能性。本文综述了近年来在压电性定义、压电材料分类、压电性能表征技术、压电催化机制、性能提升策略以及其在环境与能源领域中多种压电耦合高级氧化体系（AOPs）中的应用方面的最新进展。值得指出的是，无论是压电催化还是压电耦合AOPs体系，在污染物去除、重金属脱除、杀菌消毒、过氧化氢生成、二氧化碳还原以及氢气产出等方面均展现出优异的性能和广阔的应用前景。然而，要进一步推动压电催化技术的发展，仍需克服以下关键挑战：（1）亟需开发高性能的新型压电材料与精细化调控方法，以增强压电响应，同时引入保护涂层提升其稳定性；（2）亟需开发更高效、标准化的评估体系，以准确识别材料真实存在的压电性。建立压电性与催化性能之间的稳健关联，并阐明其内在作用机制，依赖于精准、科学且规范的数据分析方法；（3）设计高效的机械振动或振荡装置以最大化环境机械能（如水流、气流和声波）的采集，并结合多频激励策略，提升不同频率机械能的收集效率，亦是推动该技术实用化的关键方向；（4）如何有效区分超声催化和超声波主导下压电催化机制二者间的区别，亟需结合多尺度模拟与实验手段开展协同研究，从而发展出高效的机制识别策略，并突破当前所依赖的两种主流压电催化机理的局限，深化对其本质反应过程的理解。
该项工作得到国家自然科学基金、中国博士后基金、江苏省自然科学基金等项目资助。
文章链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0010854524005800
张博凡：江苏大学环境与安全工程学院资格副教授，研究生导师。专注于纳米催化剂的开发及在高级氧化催化体系的机制研究；新兴微污染物的氧化与还原强化去除技术以及纳米-生物杂合体系的构建及其在环境和能源领域的应用研究。主持教育部海外人才项目、自然科学基金青年项目，中国博士后面上项目、江苏省科技副总人才、企业横向等项目多项，迄今在Environmental Science & Technology, Applied catalysis B: Environment and energy, Chemical Engineering Journal, Journal of cleaner production, ACS Applied Materials & Interfaces等国际SCI 论文20余篇，担任Carbon Neutralization 青年编委。
雍阳春，研究员/教授，博导；现任江苏大学能源研究院副院长；教育部霍英东基金获得者、江苏省杰青；入选江苏省“双创人才”、江苏省“双创团队”、江苏省中青年学术带头人、江苏省“六大人才高峰”；兼任国家重点研发计划、国家级高端人才计划、国家自然科学基金等评审专家，在 Angew. Chem. Int. Ed., ACS Nano, Nat. Commun., ACS Catal. 等期刊发表 SCI 论文100余篇，H-index 为43，单篇最高引用600余次，专著章节6章 (包括RSC, Springer, Wiley 等出版社)，国际学术期刊特辑3部，申请发明专利30余项。
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