第一作者：贾鹏伟
通讯作者：黄洪伟教授
通讯单位：中国地质大学（北京）
DOI：10.1002/adfm.202407309
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407309
压电催化和压电光催化是一项基于压电效应并能打破机械能和化学能之间屏障的催化技术。压电材料通过机械变形形成的压电极化场可以有效地调控能带结构，改善电子-空穴对的分离，提高催化活性，从而缓解能源危机和环境问题。但当前关于压电（光）催化剂的设计、优化、分类和应用的全面系统的综述较少，其结构、理化性质与性能之间的关系仍有待详细探讨。近日，中国地质大学（北京）黄洪伟教授课题组在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Piezocatalysts and Piezo-Photocatalysts: From Material Design to Diverse Applications”的综述文章。文章首先介绍了压电（光）催化技术的概念，全面总结了压电（光）催化材料的合成方法，并分析和讨论了优化压电（光）催化剂性能的策略。继而系统地总结了目前主要压电（光）催化体系的特点和发展，并结合实际研究，讨论了第一性原理计算在压电（光）催化中的应用。最后介绍了压电（光）催化在环境修复、能源转化和生物医学治疗领域的主要应用进展，并展望了其发展方向和未来前景。
图1. 压电催化剂和压电光催化剂的合成、体系、优化策略及应用
作为当今时代面临的两大挑战，环境污染和能源短缺问题亟待解决。光催化因其环境友好、成本低被认为是一种很有前途的技术，但其同时也受到光生载流子产生效率较低、分离和迁移效率低以及氧化还原反应位点不足的影响，而引入外场成为一种灵活、可控的策略，可以在不改变半导体的原始性质的情况下提高催化活性。压电材料通常具有非中心对称结构，外部应力的施加可引起材料产生压电极化场，导致材料内正负电荷中心被置换而出现在材料的相反表面，直接触发催化反应，并且压电场可以促进光生载流子的分离，从而实现高效的压电光催化反应。因此，全面系统地总结和分析基于压电效应的压电（光）催化技术可以为今后该领域的研究人员提供参考，有助于促进压电（光）催化技术向更高效、实用的方向发展。
1、本文简介了压电催化和压电光催化的基本原理，全面地总结了压电（光）催化剂的合成方法，并分析了其优缺点及适用范围；讨论了压电（光）催化剂的改性策略；归纳了当前主要的压电（光）催化体系及其特点。
2、结合理论计算研究实例，讨论了第一性原理计算在探索压电极化条件下增强催化机理中的作用。
3、系统地总结了压电（光）催化在环境修复、能源转换和生物医学治疗方面的应用及原理，同时对压电（光）催化技术未来的发展提出了展望。
要点1：本文简介了压电催化和压电光催化的基本原理，全面地总结了压电（光）催化剂的合成方法，并分析了其优缺点及适用范围；讨论了压电（光）催化剂的改性策略；归纳了当前主要的压电（光）催化体系及其特点。
图2. 压电催化剂和压电光催化剂的合成方法
(1) 合成：压电催化剂和压电光催化剂的催化性能与其微观结构、晶体结构、表面状态、元素电荷等各种因素密切相关，这些都取决于材料的合成和制备方法。压电（光）催化剂的常用制备方法有固相反应法、熔盐法、水热法、溶胶-凝胶法、静电纺丝法、共沉淀法、化学沉积法等，每种方法具有独特的优势和适用范围。因此合成方法的选择对于决定压电（光）催化剂的特性和性能有着至关重要的作用。通过控制合成条件，可以获得具有特定目标形貌和理想性能的压电（光）催化材料。
(2) 改性：压电催化和压电光催化因其优异的性能和应用环境而具有广阔的前景，但距离大规模应用仍有一定的距离。针对制约压电（光）催化性能的主要因素，探索拓宽半导体催化剂对光的吸收范围、提高光生载流子的分离效率、提高压电性能的方法已成为重要的研究方向。为此，文章分析了元素掺杂、形貌调控、表面修饰、异质结构构建、极性调节等性能优化策略的实施方法以及所能达到的优化效果。在未来的探索中，可以考虑不同优化策略的耦合来达到“1+1>2”的效果。
图3. 提高压电催化剂和压电光催化剂性能的策略
(3) 分类：随着研究的深入，越来越多的压电材料，包括氧化锌基材料、钙钛矿基材料、铋基材料、金属硫化物/硒化物基材料和聚合物基材料被开发用于压电（光）催化。并且基于这些基础压电材料制备了一系列的复合材料或改性材料，展现出较高的压电（光）催化性能和应用潜力。
图4. 主要压电催化剂和压电光催化剂体系
要点2：讨论了第一性原理计算在探索压电极化条件下增强催化机理中的作用。
第一性原理计算可以预测和验证材料的各种物理和化学性质。在材料科学领域，基于霍恩伯格-科恩定理的密度泛函理论通常被用作计算的第一性原理。密度泛函理论可以探索催化剂的带隙宽度、电子结构、吸附能和自由基生成的变化，为了解材料的各种性质、设计和合成新型压电催化剂和压电光催化剂提供了一种有效的方法。潜在的催化剂材料种类繁多，但实际合成的材料相当有限。因此，理论计算方法对于压电催化剂和压电光催化剂的高效、可靠、快速设计具有重要意义。例如通过高通量材料筛选方法，可以确定出被忽视的具有合适的光电特性和在应变下具有良好带可调性的压电（光）催化剂。此外，通过对催化剂的晶体结构、电子结构和电化学性质的理论计算，压电（光）催化过程中的反应路径和机理可以更加准确和清晰。并且第一性原理计算还可以直观地反映外部应力对催化剂电子结构和压电性的影响。
要点3：系统地总结了压电（光）催化在环境修复、能源转换和生物医学治疗方面的应用及原理，同时对压电（光）催化技术未来的发展提出了展望。
图5. 压电催化和压电光催化的应用领域
(1) 环境修复：由于工业化进程的加速和污染物在水、空气和土壤中的不断积累，生态环境不断恶化。压电（光）催化技术是一种有效去除有机污染物的先进技术，与传统催化技术相比，可以以低能耗、无污染的方式将自然振动能充分转化为化学能，催化过程中产生的大量电子、空穴和活性氧物种可以与有机污染物和重金属发生氧化还原反应，破坏有害微生物的细胞结构，从而实现净化水体的目标。因此压电光催化对水和土壤中的有机染料、抗生素、重金属等污染物具有良好的降解效果，并且可以实现对空气中污染物例如VOC等的降解。此外，耦合压电效应的类芬顿反应在环境修复中发挥越来越大作用。
(2) 能源转换：工业化的快速发展消耗了大量的不可再生能源，引发了日益严重的能源危机。压电催化和压电光催化是一种能够利用压电材料的压电效应有效地将机械能和太阳能转化为化学能的新型催化技术，广泛用于能源催化研究。利用压电效应产生的压电势可以打破材料能带和带边缘位置的限制，有效克服化学反应的高能势垒，高效地实现将温室气体二氧化碳还原为高附加值产品、固氮合成氨以及将水分解为氢气和过氧化氢，从而合成各种清洁和可再生能源。
(3) 生物医学治疗：微生物，包括病毒、细菌、真菌等，广泛存在于人类的生活环境中，在一定程度上对人类的健康构成了严重的威胁。近年来，随着压电催化和压电光催化技术的发展和深化，其在生物医学领域的应用逐渐出现。通过外部应力诱导压电（光）催化剂产生的压电势促进了抗菌和消毒过程中活性物质的产生，从而显著提高了抗菌、消毒以及肿瘤细胞的凋亡率。压电催化和压电光催化技术在牙齿美白领域也有报道，与传统的清洁方法相比，该技术是安全无害的，未来有望得到大规模的应用。
在外部应力的影响下，依赖于压电效应的压电催化和压电光催化在环境治理、能源转换和生物医学治疗方面具有巨大的潜力。本文综述了压电催化和压电光催化技术的基本概念、压电（光）催化剂的合成方法和性能优化的改性策略。介绍了目前主要的压电（光）催化体系及其发展，分析了第一性原理计算在压电（光）催化中的应用，总结了压电（光）催化的主要应用领域。
1、随着研究的不断深入，压电催化和压电光催化技术取得了重大进展，认识也越来越深入。然而，对其微观催化机理和与其他催化技术的耦合机理的了解尚不清楚，特别是极化电荷的分离和迁移规律以及催化过程中活性位点的演化和机理尚未得到充分研究，导致对新型压电（光）催化材料的探索和性能改进缺乏理论指导。
2、制备压电（光）催化剂的方法多种多样，各有优缺点，这也使得很难找到一种既能达到优异催化性能又具有实际应用潜力的催化剂合成方法。此外，大多数方法的实验过程相对繁琐，只能限于实验室的小规模生产，远远不能满足工业和其他领域大规模生产需求。此外，为了获得更高的压电（光）催化性能，对催化剂改性措施的探索也取得了一些进展，然而其深度的优化机制和多种改性措施配合时的耦合机制仍需进一步探索。
3、目前，越来越多的压电材料被开发和应用于压电催化和压电光催化，甚至一些非中心对称晶体在外加机械力下实现了压电（光）催化。然而，大多数压电（光）催化剂的催化效率仍然较低，且催化反应动力学过程相对较慢，其反应所需的条件很严格，通常需要高频和高功率的振动条件才能有效地进行催化过程。此外，由于缺乏使用后回收催化剂的方法，使环境容易受到二次污染，这在一定程度上限制了催化剂的实际应用。
基于以上问题，为了加快压电（光）催化技术的发展和应用进程，可以关注以下几个方面：
1、从压电催化和压电光催化技术的本质出发，可以利用先进的表征方法来检测和分析催化活性位点、电子态、能带结构、反应中间体的变化等方面的演化。通过理论计算和多物理场模拟等方法，对压电（光）催化过程中的电子结构、电荷分离和转移、反应热力学和动力学过程进行理论计算、模拟和分析，加深对压电（光）催化机理、各种催化反应的偶联机理以及各种改性方法之间的协同机理的认识。
2、系统地总结现有的研究进展，指导高性能压电（光）催化材料的发展及能够实现大规模工业应用的制备方法的探索。发掘可以有效地将低频和低能能量转化为化学能以收集和利用更多的废机械振动的压电（光）催化材料，从而扩大压电（光）催化的应用范围。
3、目前，压电催化和压电光催化的应用主要集中在环境修复、可再生能源的生产和生物医学治疗等方面。为了更深入地了解压电（光）催化剂的应用性，有必要探索更多的应用。并与其他成熟的催化技术相结合，有望在实际应用中寻找更合理的催化反应工艺。
Pengwei Jia, Jianming Li, Hongwei Huang*. Piezocatalysts and piezo-photocatalysts: From material design to diverse applications.
文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202407309
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