光催化技术能够利用太阳能实现有机污染物的高效降解，在环境污染治理和能源可持续发展领域具有广阔的应用前景。然而，传统光催化材料普遍存在光生电子与空穴复合严重、表面活性位点不足以及反应物吸附活化能力有限等问题，制约了其催化效率的进一步提升。利用压电极化电场促进光生载流子定向分离，并通过构筑氧空位优化表面电子结构，是提升光催化性能的有效策略。然而，压电极化电场如何影响氧空位周围的局域电子分布，以及如何协同调控表面反应动力学，仍缺乏深入的原子尺度机制认识。

基于上述问题，我校材料科学与工程学院博士生沙宗诺在黄洪伟教授和陈芳副教授的指导下，提出了一种压电场激活氧空位的协同调控策略。研究团队以具有本征极性的BiOIO₃单晶纳米棒为研究对象，通过还原后处理在其表面引入氧空位，利用氧空位诱导的局域结构畸变增强材料的自发极化，并通过外部机械应力产生的压电极化电场进一步激活氧空位，实现光生载流子分离与表面催化活性的同步提升。该策略将压电极化调控与缺陷工程相结合，为突破传统光催化体系中电荷分离和表面反应动力学的双重限制提供了新思路。

实验结果表明，氧空位的引入显著增强了BiOIO₃的晶体极性与压电响应能力，有效促进了光生载流子的分离与迁移。在可见光与超声协同作用下，优化后的BIO-OV2催化剂表现出优异的污染物降解性能，盐酸四环素在5分钟内的降解率达到76.3%，反应速率常数达到0.28 min^-1，是单独光催化条件下的5.24倍。此外，该催化剂对双酚A、抗生素及染料等多种有机污染物均具有良好的降解效果和循环稳定性，展现出良好的环境污染治理应用潜力。

为进一步揭示压电极化电场与氧空位之间的协同作用机制，研究团队结合原位开尔文探针力显微镜、压电响应测试、拉曼光谱、电子顺磁共振以及密度泛函理论计算，系统研究了材料的电荷分离行为和表面电子结构演变。结果表明，氧空位不仅能够增强IO₃极性结构单元的畸变与偶极矩，还能够在材料表面形成局域量子阱效应。外部机械应力诱导的压电极化电场进一步增强氧空位附近的电荷不对称分布及电子局域化，促进光生电荷向表面活性位点迁移。与此同时，压电场与氧空位协同降低材料表面功函数，并驱动I 5p轨道的p带中心向费米能级移动，优化表面吸附物与催化活性位点之间的电子相互作用，增强O₂和H₂O分子的吸附与活化能力，进而促进超氧自由基（·O₂^-）和羟基自由基（·OH）的生成，实现有机污染物的高效降解。

该研究从原子尺度揭示了压电极化电场对表面氧空位及其电子结构的动态调控机制，阐明了“压电极化增强—氧空位量子阱效应强化—p带中心调节—反应物吸附活化”之间的内在关联，为压电-光催化材料的理性设计及高效环境污染治理提供了新的研究思路。

图1. BIO-OVX极性来源与压电性表征

图2. 催化剂压电-光催化性能图

图3. 催化剂捕获实验及原位ESR测试

图4. 氧空位周围几何和电子结构动态演变机理探究

图5. 吸附活化机理探究 

上述研究成果发表于材料领域国际权威杂志《Nano Energy》上： Zongnuo Sha, Cheng Hu, Shuchen Tu, Tong Li, Fang Chen*, Hongwei Huang*. Piezo-activating oxygen vacancy regulates quantum well effect and p-band center for exceptional photocatalysis. Nano Energy, Volume 139, 2025, 110919.

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110919.