近年来，压电催化作为一种新型催化策略，其能够将机械能转化为化学能，逐渐受到了研究人员的广泛关注。因此，深入理解压电催化的机理，开发高效的压电催化材料，对推进其发展至关重要。众所周知，压电材料的压电性源于晶体内部正负电荷中心在受到应力后发生偏移而产生偶极矩变化。由于压电催化活性与压电性之间的密切相关性，增强材料晶体单元的极性是提高压电催化性能的重要方法。然而，很少有研究人员关注层状钙钛矿的内部晶体微观结构，特别是当晶体的钙钛矿层中存在具有不同性质的多个八面体时。因此，有必要清楚地阐明这些组成部分的贡献。

基于上述问题，我校材料科学与工程学院博士生陈通在黄洪伟教授的指导下，以Bi₃TiNbO₉和SrBi₂Nb₂O₉为模型，通过研究材料压电性和压电催化产氢活性之间的关系，可以探索不同八面体之间的差异，并有望深入揭示晶体结构和催化性能之间的内在关联。该工作的主要创新点如下：

1. 开发了两种同构型的层状钙钛矿Bi₃TiNbO₉和SrBi₂Nb₂O₉作为压电催化产氢材料，产氢速率分别为1025.5 μmol g^-1 h^-1和586.1 μmol g^-1 h^-1。

2. 揭示TiO₆八面体比NbO₆八面体有更大的畸变，对压电性的贡献更大，且只有特定位置的八面体才具有大的偶极矩。

3. 研究发现拉伸或压缩应变导致a轴比b轴发生更显著的偶极矩变化。

图1. a) Bi₃TiNbO₉和SrBi₂Nb₂O₉的合成过程；b) XRD；c) 拉曼光谱；d) 红外光谱；e-g) XPS元素谱。

图2. a-h) Bi₃TiNbO₉和SrBi₂Nb₂O₉的形貌表征；i) BET曲线。

图3. a,b) Bi3TiNbO9和SrBi2Nb2O9分别在乳酸和纯水条件下的压电产氢速率；c) 葡萄糖作为牺牲剂下，分别在氮气和氩气下的产氢活性；d-e) 不同催化剂质量和超声功率下的产氢活性；f) 熔盐样品的产氢活性；g) 光催化活性；h) 稳定性测试；i) 和其他文献中的性能比较。

图4. a-e) Bi₃TiNbO₉和SrBi₂Nb₂O₉的PFM表征；f) 熔盐法制备的Bi₃TiNbO₉的COMSOL电势模拟；g-i) Bi₃TiNbO₉在不同压力下的COMSOL模拟。

图5. a-e) 压电电流、LSV、电化学阻抗、Mott-Schottky曲线、载流子浓度；f-i) KPFM测试。

图6. a) 晶体结构；b) Bi₃TiNbO₉和SrBi₂Nb₂O₉的八面体畸变指数和键角方差；c-e) 单独八面体和整体晶胞在不同方向上的偶极矩大小；f) Bi₃TiNbO₉和SrBi₂Nb₂O₉上的极性和非极性单元；f) Bi₃TiNbO₉在应变下的偶极矩变化。

上述研究成果发表于材料领域国际权威杂志《Nano Energy》上：Tong Chen, Fang Chen, Chunyang Wang, Cheng Hu, Na Tian, Jianming Li, Hongwei Huang*. Identifying polar and non-polar octahedron units in isomorphic layered perovskites towards efficient piezocatalytic H₂ evolution. Nano Energy, 2024. [IF 2024 = 17.1]

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110334