光催化技术作被认为是一种有望缓解能源消耗和环境污染的绿色技术，但光生电荷复合率高、催化位点不足等问题严重限制了光催化效率和进一步的工业应用。铁电体可以在晶体内部产生铁电极化电场，诱导光生电子和空穴沿相反方向定向迁移，从而实现光生载流子的空间分离。因此，开发高效的极化策略光催化领域受到越来越多的关注。Bi₂MoO₆（BMO）是一种铁电光催化材料，被认为在光催化领域有很大的发展前景，但其固有极化电场较弱，快速的电荷复合严重仍是阻碍其光催化效率提升的重要因素。为了增强其极性，传统方法往往依赖于引入高强度的外部电场或复杂的后处理步骤，这些措施不仅使得流程繁琐，还不可避免地增加了额外的成本负担。

基于上述问题，我校材料科学与工程学院博士生李书贯在黄洪伟教授的指导下，设计并探索一种无需外部电场辅助，即可实现BMO光催化材料极性显著增强的策略，即通过控制合成条件，制备了整体极化的BMO晶体，实现了高活性和高选择性的氧化反应。该工作的主要创新点如下：

1. 通过优化乙二醇-水混合溶剂比例，并进一步调控氨量，制备了一系列尺寸和极化强度可调的高结晶型BMO单晶光催化剂BMO-SPX (X = 1，2，3，4，5)。

2. 随着BMO单晶的生长，发现其结构中Mo-O八面体沿着c轴方向产生规律性拉长畸变，使得MoO₆八面体微观偶极增加，同时八面体基元的定向堆叠增强进一步增强了晶体的宏观极化，晶体的整体极化大幅促进了体相电荷分离和活性物种产生。

3. 与常规水热制备的BMO相比，尽管具有相近的比表面积和氧气吸附量，强极性BMO-SP3纳米片在可见光下对苯甲醇选择性转化为苯甲醛的催化速率提高了70.7倍，在30 min内实现了近100 %的转化率，选择性≥95 %。

图1. BMO、BMO-SP1、BMO-SP3和BMO-SP5的a) Bi、b) Mo和c) O的高分辨率XPS光谱。BMO和BMO-SPX (X = 1，2，3，4，5)的d)拉曼光谱和e, g) BMO-SPX (X = 1，2，3，4，5)样品的局部放大拟合光谱。f) BMO、BMO-SP1、BMO-SP3和BMO-SP5的不同类型Mo-O键的键长比。不同特征峰的峰值强度拉曼mapping比值。h-k) BMO-SP1和l-o) BMO-SP5。其中h和l表示720 cm^-1附近赤道Mo-O键与800 cm^-1附近Mo-O键特征峰的峰强度比，i和m表示720 cm^-1/845 cm^-1，j和n表示780 cm^-1/800 cm^-1，k和o表示780 cm^-1/845 cm^-1。

图2. a)可见光照射下BMO，BMO-SPX (X = 1，2，3，4，5)光催化选择性氧化苯甲醇(X = 1，2，3，4，5)的转化率和选择性。b)一阶动力学曲线和c) 光催化选择性氧化苯甲醇的表观反应速率常数。BMO-SP3样品的d) 活性物质捕获实验和e) 循环实验。

图3. a) BMO、BMO-SP1、BMO-SP3、BMO-SP5的电滞回线。b) Mo-O八面体不同程度畸变下BMO单细胞的偶极矩(c轴)。c) 不同程度畸变晶胞积累的BMO晶体的偶极矩(c轴)。d) BMO、BMO-SP1和BMO-SP5晶体的结构图、微观极化图和宏观极化图。

图4. a，b) BMO、c，d)BMO-SP1、e，f)BMO-SP3、g，h)BMO-SP5的KPFM电势图像和对应的归一化电势差。i) BMO样品的PL光谱。BMO、BMO-SP1、BMO-SP3、BMO-SP5的j) EIS谱，k) LSV 和l) 界面载流子分离效率。

上述研究成果发表于材料领域国际权威杂志《Advanced Functional Materials》上： Shuguan Li, Fang Chen, Qi An, Ruofei Tang, and Hongwei Huang*. Triggering Overall Crystal Polarization by Octahedron Elongation Distortion for Highly Boosted and Selective Aerobic Photo-Oxidation. Advanced Functional Materials, 2024. [IF 2024 = 19]

全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202409035