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我校理学院研究团队在全解水领域取得重要进展

近日,理学院李发堂教授团队在全解水领域取得重要进展,相关研究成果以“Strain engineered nano‐ferroelectrics for high‐efficiency piezocatalytic overall water splitting”发表在 Angew. Chem. Int. Ed.( https://doi.org/10.1002/anie.202103112)。论文第一作者为我校苏然博士和西安交通大学王志鹏博士,通讯作者为李发堂教授。

氢能被视为未来最为理想的清洁能源,全解水制氢是得到高纯度氢的理想过程。压电催化效应是一种将机械能转化为化学能的催化方式,其可利用可再生的摩擦、水波、噪音等机械振动使压电材料产生压电势驱动反应底物电荷转移产生氧化还原反应。由于压电催化活性与压电材料的压电性能成正相关,且水的分解需要高的氧化还原电势,因此提升压电性能是提高压电催化全解水的主要途径。

李发堂教授团队提出了一种应力诱导纳米铁电体增强极化性能用于压电催化全解水的策略,通过制备多孔BaTiO3纳米颗粒,利用表面重构在其中构建局域应力,增大晶格 c/a 比,提升铁电纳米颗粒的极化强度和压电势,进而提高压电催化全解水产氢活性。

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利用铁电BaTiO3纳米颗粒表面具有碱性Ba-O,酸性Ti-O2不同截止面的本证特性,分别使用酸性刻蚀剂及碱性还原剂对其进行改性,诱导表面重构进而引起晶格畸变,产生应力,增大了晶格 c/a 比。并且由于多孔结构产生的大量界面增加了应力传递的深度,提升了极化强度。

分布于孔洞周围的应力导致了不均匀电势的分布,同时也大大提升了压电电势,高达1.6V,远高于初始BaTiO3的0.5V及水分解所需的1.23V。且表面电荷可随外场变化而释放。

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得益于应力诱导出的高压电势,此压电催化剂的全解水活性较初始BaTiO3提高了130倍,并发现了其催化反应路径可通过外加光场来调控。进一步研究表明,该策略不仅限于BaTiO3,还可以扩展到其他钙钛矿体系,为开发强极化纳米铁电体及在压电催化中的应用提供了新思路。

该工作得到了国家自然科学基金和河北省自然科学基金等项目的支持。