注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析
环境污染和能源危机的加剧使半导体光催化剂备受瞩目，但是目前光催化技术存在的主要问题之一是光催化效率较低，而光生载流子的分离效率是决定光催化剂活性的关键因素之一。为了促进光生电子-空穴对的分离，人们开发了很多改性的方法，其中构筑内建电场被视为提高光催化活性的有效方法。然而，静态的内建电场很容易被内部和外部电荷屏蔽，削弱其对光催化性能的增强作用。尽管有人提出利用超声波振荡产生的能量驱动铁电-光催化复合系统产生交变的内建电场促进载流子的分离，但交变电场的产生依赖于超声振荡，将消耗大量的能量，与可持续发展战略相违背，限制了光催化技术的实际应用。那么，有没有可能开发一种经济、智能的光催化复合体系来持续促进载流子的分离，增强光催化性能呢？近日，南京工业大学的陆春华教授、寇佳慧副教授和东南大学的赵远锦教授（共同通讯作者）受到大自然的启发，利用微流控技术构筑了一种具有自修复特性内建电场的压电-光催化复合螺旋纤维。
南京工业大学和东南大学的团队共同开发的压电-光催化复合螺旋纤维很好地弥补了上述缺陷。众所周知，自然界中的生物具有的自愈系统可以帮助其抵御外界的损伤或攻击，如果光催化剂也被赋予自愈能力，那么催化剂的光催化性能及耐久性将得到显著的提高。自然界中的植物可以通过自身藤蔓螺旋结构的伸缩变形来抵御风吹而不受损伤，那么将压电材料设计为螺旋结构将有利于其在自然条件下发生变形，产生压电势。基于此，研究团队创新性地设计了压电-光催化复合螺旋结构，实现了内建电场的自修复，对光生电子-空穴对的传输与分离产生持续的增益作用，提高光催化材料的本征效率达20%以上。研究团队探讨了流体变化、螺旋纤维的设计参数（如螺距、螺环）等与压电电场以及光催化性能的关联，并对复合螺旋纤维的光催化稳定性进行了探索。
瞬态光电压技术及荧光光谱分析技术揭示了光催化材料中内建电场逐步饱和的本质过程，为突破光催化材料性能的瓶颈提供了设计思路与理论实验基础。结果表明，压电-光催化复合螺旋纤维PVDF/g-C3N4在水流作用下产生的内建电场会在10 min左右被饱和，纤维的再次形变可以使饱和的内建电场再生，进而持续促进载流子的分离。在自修复内建电场的作用下，有效载流子的数量得到提高，压电-光催化复合螺旋微米纤维的光催化性能也随之得以增强。
这一成果近期发表在Advanced Functional Materials上，文章的第一作者为南京工业大学的博士研究生代宝莹。
该论文作者为：Baoying Dai, Yunru Yu, Yukai Chen, Hengming Huang, Chunhua Lu, Jiahui Kou, Yuanjin Zhao and Zhongzi Xu
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Construction of Self-Healing Internal Electric Field for Sustainably Enhanced Photocatalysis
Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201807934
陆春华教授简介
陆春华，南京工业大学材料科学与工程学院教授、博士生导师，南京工业大学校科学研究部副部长；2001年于南京工业大学取得博士学位，2002年至2010年南京工业大学讲师、副教授，2010年6月至12月美国亚利桑那大学高级访问学者，2011年1月任南京工业大学教授。
陆春华主要从事激光、太阳光等光电磁波的选择性吸收与能量转换研究，特别着重于光波与纳米材料的相互作用及其材料可控制备技术，先后承担了国家“973”、总装预研、国家自然科学基金、江苏高校自然科学基金重点项目等10多项科研项目；指导培养博士、硕士研究生30余名，在Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、Appl. Catal. B-Environ.、CrystEngComm等学术期刊发表学术论文100余篇，申请国家专利32项，获得授权14项。
https://www.x-mol.com/university/faculty/27874
寇佳慧副教授简介
寇佳慧，南京工业大学材料科学与工程学院副教授，硕士生导师；2008年于南京大学材料系获工学博士学位，2008年至2010年在南京大学物理系工作，2010年至2013年在美国国家环保局开展博士后工作，获得美国ORISE博士后基金支持。2013年10月到南京工业大学材料学院工作至今。
寇佳慧主要从事材料物理与化学的科研与教学工作，主要研究领域为：光催化材料、环境材料、纳米材料；目前作为项目负责人承担了国家自然科学基金面上项目、江苏省自然科学基金面上项目、江苏省产学研合作项目等；在Chem. Rev.、Nano Lett.、Adv. Funct. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Environ. Sci. Technol.、ChemSusChem 等SCI期刊发表相关研究论文50余篇。
https://www.x-mol.com/university/faculty/27881
赵远锦教授简介
赵远锦，东南大学生物科学与医学工程学院教授、博士生导师，国家“万人计划”科技领军人才、国家优青、江苏省杰青、RSC Fellow；于2006年获得东南大学医学学士学位，2009年到2010年到哈佛大学David A. Weitz 教授（美国三院院士）团队联合培养，2011年毕业于东南大学，获工学博士学位，并留校工作，分别于2012年和2015年破格晋升为副研究员和研究员。
赵远锦现在的主要研究方向有仿生材料与组织工程、微流控与器官芯片等，已发表SCI论文150余篇，其中50余篇影响因子10以上，论文被引用4800余次（H因子为39）；第一作者和通讯作者论文110篇，影响因子之和大于1100，包括Sci. Robot.、Sci. Adv.、Nat. Protoc.、PNAS、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Funct. Mater.、Mater. Horiz.、ACS Nano、Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、Mater. Today 等，研究成果共申请专利75项（美国专利1项），授权32项，其中转化2项。
https://www.x-mol.com/university/faculty/41619
科研思路分析
Q：这项研究的最初是什么目的？或者说想法是怎么产生的？
A：如上所述，我们想要通过对材料进行结构设计，在自然条件下实现压电势的产生，并利用其持续促进光生电子-空穴对的分离增强光催化性能。在设计实验的过程中，我们受到大自然的启发，发现植物的藤曼可以通过自身的螺旋结构伸缩变形来抵御风吹而不受损伤，那么，如果我们将柔性压电材料制备成这样的螺旋结构，并将其与光催化剂复合，则有助于其在自然条件下发生变形产生压电势，促进光生载流子分离。而微流控技术是可控制备微纳功能材料体系的重要技术，我们想是不是可以利用微流控技术构筑压电-光催化复合螺旋纤维呢？于是，我们就开始了这项工作。
Q：研究过程中遇到哪些挑战？
A：这项工作中最大的挑战是测试纤维产生的压电势对光生载流子的影响，提供压电势驱动内建电场饱和及再生过程的直接实验证据，揭示内建电场与载流子行为的本质关联。在这个过程中，我们团队在光催化作用机制和反应过程的理论背景起到了关键性作用。在实验测试过程中吉林大学谢腾峰教授提供的帮助和支持也起到了重要作用。
此外，这项研究属于交叉学科的研究，其中需要很多压电领域的背景知识，而我们的团队主要来源于化学和材料专业，因此在压电方面存在知识储备不足的挑战，未来希望有相关领域的研究者一起合作将研究推动到更高的层次。
Q：该研究成果可能有哪些重要的应用？哪些领域的企业或研究机构可能从该成果中获得帮助？
A：该压电-光催化复合螺旋结构除了具有压电和光催化特性外，还具有良好的柔弹性和力学性能，因此可以广泛应用于自然条件下能量转换和光催化应用领域，包括水流能、风能捕获、光催化分解水制氢、光催化净化空气、光催化降解污染物等领域；更重要的是还可以实现自然条件下清洁能源的转换并将其用来增强光催化性能。该工作通过赋予催化剂自修复内建电场增强光催化性能，为光催化技术的发展提供了新的研究思路和策略，在进一步解决能源危机及环境污染问题具有广阔的前景。
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