【摘要】 济南大学程新教授团队在《Nano Energy》发表创新研究，通过构建具有界面共享(Bi₂O₂)²⁺单元的CaBi₂Nb₂O₉-BiOCl异质结，实现压电-光催化纯水分解性能突破。科学指南针提供密度泛函理论计算支持，助力反应机理深度解析。

济南大学程新教授团队在《Nano Energy》发表创新研究成果，通过构建具有界面共享(Bi₂O₂)²⁺单元的CaBi₂Nb₂O₉-BiOCl异质结，成功突破压电-光催化纯水分解性能瓶颈。科学指南针为本研究提供密度泛函理论计算等关键科研服务支持，助力反应机理深度解析。

 

研究背景与压电-光催化技术挑战

随着全球环境污染加剧与化石能源危机日趋严峻，开发基于太阳能、机械能等可再生能源驱动的可持续能源转化技术具有重要意义。压电-光催化技术因其独特优势备受关注，但实际应用面临关键挑战：

​技术瓶颈分析：​​

  • 异质结界面处电荷转移动力学过程迟缓，导致载流子迁移效率低下

  • 晶格失配引发界面缺陷，成为载流子复合中心，严重制约催化性能

  • 传统异质结构筑方法导致组分材料随机堆叠，形成高势垒的非理想界面结构

  • 原子级界面调控工程制备工艺复杂、成本高昂，难以兼顾压电性能优化

 

创新方法：界面共享结构设计突破

本研究通过原位水热法构建具有界面共享(Bi₂O₂)²⁺单元的CaBi₂Nb₂O₉-BiOCl异质结（CBN-BOC-H），采用"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。

​技术核心创新：​​

  • 首次通过原子级界面共享电荷转移桥构建高效电荷传输通道

  • 利用卤素诱导产生额外压电特性，增强压电响应

  • 显著提升压电-光催化纯水分解性能，H₂和H₂O₂产率分别达到1753.2 μmol·g⁻¹和1071.2 μmol·g⁻¹

  • 为设计高效压电-光催化剂提供新思路和方法论指导

 

材料合成与结构表征

采用熔盐法制备CaBi₂Nb₂O₉（CBN）材料，通过原位水热法实现BiOCl（BOC）纳米片在CBN（001）晶面的可控外延生长，构建具有独特界面共享结构的CBN-BOC-H异质结。

​结构特征验证：​​

  • BOC以单层Cl原子作为终止界面，与CBN形成稳定(Bi₂O₂)²⁺共享结构

  • TEM显示PbI₂-VA薄膜中均匀分布的中间相，傅里叶变换证实晶格间距（2.86-6.76 Å）

  • 制备不具有共享界面的CBN-BOC-V异质结作为对照样品，确保实验对比可靠性

  • SEM、TEM与AFM表征显示BOC在不同体系中呈现明显不同的形貌特征

 

能带结构与光电性质分析

通过综合光电表征手段，深入研究异质结的能带结构和电荷转移机制。

​光电特性发现：​​

  • UPS和UV-vis DRS能带分析证实CBN-BOC异质结遵循S型电荷转移机制

  • ISI-XPS与EPR表征揭示光生载流子迁移路径和界面电荷传输效率

  • TRPL、EIS和瞬态光电流测试显示界面共享(Bi₂O₂)²⁺单元显著提升电荷传输效率

  • KPFM表面电势分析验证内建电场增强和电荷分离效果优化

 

压电性能与卤素调控机制

系统研究界面卤素原子对压电性能的增强机制，通过PFM测试和压电振幅曲线分析，明确卤素种类的调控规律。

​压电特性突破：​​

  • PFM表征显示CBN-BOC-H样品具有最优压电响应，振幅图呈现最明显对比度

  • Cl原子因高电负性与小原子半径诱导最强极化，从Bi原子获取更多电荷

  • 压电-振幅曲线显示最大斜率及最强压电-光电信号，压电系数达574 pm/V

  • 卤素电负性差异导致压电性能规律：CBN-BOC-H > CBN-BOB-H > CBN-BOI-H

 

催化性能与反应优化

在无牺牲剂和助催化剂条件下，系统评估异质结的压电-光催化纯水分解性能，优化反应条件。

​性能表现优异：​​

  • CBN-BOC-H异质结展现出最优压电-光催化性能，超声辅助下性能显著提升

  • 120分钟内H₂产率达1753.2 μmol·g⁻¹，H₂O₂产率达1071.2 μmol·g⁻¹

  • 110W超声功率、Ar氛围下达到最佳催化性能，反应条件优化关键

  • 卤素种类影响催化活性，遵循CBN-BOC-H > CBN-BOB-H > CBN-BOI-H规律

 

理论计算与机理揭示

机理解析突破：​​

  • 电荷密度差分析显示CBN-BOC-H界面存在显著电荷重分布（CBN侧耗散4.48 e，BOC侧富集）

  • 平面平均电荷密度分析证实共享界面诱导的电荷重构具有高度局域化特征

  • 理论计算阐明界面电子转移通道与压电效应协同提升催化性能的三重机制：

    • 能带弯曲形成内建电场驱动S型电荷转移，保留高活性载流子

    • 共享(Bi₂O₂)²⁺单元将载流子传输路径缩短至原子尺度

    • Cl诱导的结构畸变增强压电响应，为性能提升关键因素

 

研究总结与展望

本研究在原子尺度界面工程与压电性能调控方面取得重要突破，为高效压电-光催化材料设计提供新范式。

​创新价值总结：​​

  • 通过原位水热合成策略成功构建具有界面共享结构的压电光催化异质结体系

  • 利用共享(Bi₂O₂)²⁺界面单元构建原子级电荷传输通道，消除界面势垒

  • 通过Cl诱导的结构畸变激活本征非压电性(Bi₂O₂)²⁺结构单元的压电特性

  • 实现S型异质结内建电场与压电场双电场协同作用机制，显著提高电荷分离效率

 

论文信息：Nano Energy, 2025, 140, 111067
DOI：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.111067

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