【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，由西安交通大學(xué)物理學(xué)院張樂研究員、楊森教授及前沿科學(xué)技術(shù)研究院王棟教授領(lǐng)銜的TFML-MMSH跨學(xué)科研究小組，在新型壓電催化材料領(lǐng)域取得最新突破性進(jìn)展，相關(guān)成果已被國(guó)際材料科學(xué)權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)正式接收并在線發(fā)表。
 

　　隨著工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模擴(kuò)大，有毒染料的使用量逐年攀升，其引發(fā)的持久性水污染問題正受到全球關(guān)注。這類污染物不僅難以自然降解，還會(huì)通過水體滲透至土壤和地下水，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)造成連鎖破壞。環(huán)保監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)處理技術(shù)對(duì)有毒染料的降解效率普遍偏低，導(dǎo)致大量有毒芳香族中間體及殘留污染物長(zhǎng)期潛伏在自然環(huán)境中，對(duì)動(dòng)植物生存和人類健康構(gòu)成潛在威脅。此前，研究人員曾寄望于半導(dǎo)體鐵電體材料解決這一難題。這類材料因自身具有自發(fā)極化特性，可通過內(nèi)部形成的極化場(chǎng)實(shí)現(xiàn)光催化降解，但其實(shí)際應(yīng)用中存在兩大短板：一是對(duì)光能的利用效率不足，二是電荷載流子分離速度緩慢，導(dǎo)致處理周期冗長(zhǎng)，且降解效率始終難以突破90%。這一技術(shù)瓶頸成為制約水污染治理的關(guān)鍵障礙。
 

圖 1. BNL3T新型壓電催化納米顆粒在超聲和紫外光下對(duì)RhB的降解過程。
 

　　近日，張樂研究員研究小組報(bào)道了一種新型無鉛環(huán)保La摻雜(Bi,Na)TiO?(BNL3T)鐵電納米粒子，通過光致發(fā)光光譜(PL)對(duì)BNL3T壓電光催化降解RhB溶液的效率進(jìn)行測(cè)試，其可在極短的反應(yīng)時(shí)間(<30分鐘)內(nèi)對(duì)常用染料羅丹明B(RhB)實(shí)現(xiàn)了接近100%的降解率(如圖1所示)，結(jié)果顯示其性能優(yōu)于目前所有同類材料。值得注意的是，該反應(yīng)的一級(jí)速率常數(shù)(k = 0.17 min?¹)較傳統(tǒng)基于BiFeO3(BFO)和BaTiO3(BTO)體系的壓電或光催化劑高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，為有機(jī)污染物的快速降解提供了新方向。 圖2所示的密度泛函理論(DFT)計(jì)算表明，該材料優(yōu)異的催化性能源于兩個(gè)關(guān)鍵因素：1)通過在La位點(diǎn)的直接電子激發(fā)增強(qiáng)了電子參與度；2)由于La摻雜過程中極化幅度的增加，其高的內(nèi)在電場(chǎng)提高了電子-空穴分離效率。本研究通過稀土元素?fù)诫s同時(shí)調(diào)控?zé)o鉛鐵電納米材料極化與能帶結(jié)構(gòu)，為設(shè)計(jì)高性能環(huán)境催化劑提供了可行的思路與方法。
 

　　圖 2. BNLxT 電子結(jié)構(gòu)分析。(a)-(c)BNT、BNL0.125T 和 BNL0.25T 的反折疊能帶結(jié)構(gòu)。(d)-(f)G點(diǎn)附近分別在 La、Bi 和 Na 上能帶投影，對(duì)應(yīng)于(d) BNT、(e) BNL0.125T 和 (f) BNL0.25T。(g) BNL1T 和 BNL3T 樣品的紫外-可見吸收光譜以及用于計(jì)算帶隙的Tauc圖。

 

　　上述研究成果近期以《采用稀土調(diào)控能帶/極化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)無鉛鐵電納米顆粒的超高壓電光催化效率與速率》(Ultrahigh Piezo-Photocatalysis Efficiency and Speed in Lead-Free Ferroelectric Nanoparticles by Employing Rare-Earth Tailored Band/Polar Structures)為題，發(fā)表于國(guó)際權(quán)威期刊《先進(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials)。西安交通大學(xué)物理學(xué)院為第一通訊單位，物理學(xué)院博士生許書源為論文第一作者，張樂特聘研究員為論文共同第一作者和通訊作者。其他共同通訊作者還包括西北有色金屬研究院陳凱運(yùn)高級(jí)工程師、香港理工大學(xué)陳子斌教授和西安交通大學(xué)物理學(xué)院楊森教授。本工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金，中國(guó)博士后基金、西安交通大學(xué)青年拔尖人才計(jì)劃等項(xiàng)目資助。同時(shí)感謝西安超算中心為本研究提供的計(jì)算資源支持。
 

　　張樂，西安交通大學(xué)物理學(xué)院特聘研究員、青年拔尖人才、博導(dǎo)，智能材料與傳感團(tuán)隊(duì)TFML-MMSH實(shí)驗(yàn)室主任；長(zhǎng)期專注于智能材料高性能化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及計(jì)算模擬方法。