東南大學徐春祥教授課題組：ZnO納米棒/PVDF-HFP柔性薄膜在水流波動下誘導的雙壓電效應在光催化降解有機污染物中的應用
東南大學徐春祥教授課題組：ZnO納米棒/PVDF-HFP柔性薄膜在水流波動下誘導的雙壓電效應在光催化降解有機污染物中的應用
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以下文章來源于Environmental Advances ，作者徐春祥教授課題組
環(huán)境催化前沿進展
近日，東南大學徐春祥教授課題組在Chemical Engineering Journal（影響因子13.273）上發(fā)表了題為“Bi-piezoelectric effect assisted ZnO nanorods/PVDF-HFP spongy photocatalyst for enhanced performance on degrading organic pollutant”的研究論文（DOI:10.1016/j.cej.2022.135787），探究了具有雙壓電性質的ZnO納米棒/PVDF-HFP復合海綿狀薄膜可以將水流波動轉換為壓電勢，從而促進ZnO納米棒中光生載流子的分離與輸運的過程，并將此效應應用于光催化有機污染物的降解。在高速水流擾動下，ZnO納米棒/PVDF-HFP復合薄膜光催化降解甲基橙的反應速率常數(shù)提高了近三倍。本工作將太陽能和水能結合起來利用，為光催化技術在實際生成中的應用提供了新思路。
為了提高光催化劑的光生載流子的分離和傳輸效率，人們已經(jīng)開發(fā)出多種策略，如構建異質結，設計表面缺陷等。此外，一些非對稱中心晶體（如ZnO、BaTiO 3 、PZT等）具有壓電性質，在晶體受到形變作用后引發(fā)內部極化，即在材料內部形成沿應力方向分布的壓電場。利用這種壓電場，可以促進載流子從材料體相向表面移動的過程。本文設計了具有雙壓電效應的ZnO納米棒/PVDF-HFP復合海綿狀薄膜用于光催化降解水中的有機污染物。其中，ZnO納米棒本身具有較高的光催化活性，同時具有顯著的壓電性能；而多孔PVDF-HFP有利于ZnO的負載，同時其優(yōu)異的壓電性能可以進一步促進機械能轉換成電勢能。
SEM展示了PVDF-HFP海綿狀薄膜的多孔結構，ZnO納米棒則以此三維骨架為基底生長出毛刷狀的陣列。
Fig. 1. (a,b) Field emission scanning electron microscopy (FESEM) images of PVDF-HFP and ZnO NR/PVDF-HFP spongy films, the insets in a and b are the corresponding digital photographs. (c) High-resolution FESEM image of ZnO NR/PVDF-HFP spongy film.
如圖2，PVDF-HFP薄膜和ZnO納米棒/PVDF-HFP薄膜在交變電壓激勵下的振幅曲線呈現(xiàn)典型的蝴蝶形，相位曲線呈現(xiàn)滯后環(huán)，說明兩種薄膜均具有壓電性質。ZnO納米棒/PVDF-HFP薄膜的振幅最大值明顯高于PVDF-HFP薄膜的振幅最大值，可以推斷ZnO納米棒和PVDF-HFP的壓電場在空間上存在正向疊加。
如圖3b和3c，ZnO納米棒薄膜和ZnO納米棒/PVDF-HFP薄膜的發(fā)光強度在壓力釋放過程中下降，說明ZnO納米棒薄膜自身的壓電場和ZnO納米棒/PVDF-HFP薄膜的復合壓電場對ZnO納米棒的光生載流子起到了分離的作用，抑制了復合發(fā)光。
從4a和4b可以看到，隨著水流應力的增加（從200 轉/min到1000 轉/min），ZnO納米棒/PVDF-HFP薄膜的光催化性也逐漸增加，其反應速率常數(shù)從0.0101 min -1 提高到0.0399 min -1 ?？梢酝茰y，ZnO納米棒/PVDF-HFP薄膜在應力的作用下引發(fā)的復合壓電場提高了ZnO納米棒的光催化性能。
當ZnO納米棒/PVDF-HFP海綿狀薄膜受到水流的應力（圖8a），ZnO納米棒和PVDF-HFP海綿狀薄膜各自激發(fā)出壓電場（圖55c和5d）。促使ZnO納米棒內部受光激發(fā)產(chǎn)生的電子和空穴發(fā)生分離，并進一步遷移到納米棒的表面，進而催化降解水中的有機污染物分子。
本研究構建了一個壓電效應輔助的光催化系統(tǒng)——ZnO納米棒/PVDF-HFP薄膜，通過PFM和PL手段證明了其壓電性質，并通過降解甲基橙染料證明了其可以將水流動能轉化為電勢能，從而促進光生載流子的分離與轉移，進而提高ZnO納米棒的光催化性能。這一結果可以為推進太陽能和水能這兩種清潔能源在水污染處理中的實際應用提供新思路。
徐春祥，東南大學教授、博士生導師，國家杰出青年科學基金獲得者，江蘇省“333高層次人才培養(yǎng)工程”中青年科技領軍人才。致力于納米光電功能材料在生物醫(yī)學傳感、電子器件、能源等領域的應用研究。先后以第一或通訊作者在Nano Energy、Nano Research、Appl. Phys. Lett.等物理、能源權威SCI期刊上發(fā)表論文100余篇，H因子46。
王明亮，東南大學教授、博士生導師。致力于有機及聚合物光電功能材料、納米材料、有機藥物晶型及精細化工化學品工藝等方面的研究工作。先后以第一或通訊作者在Chem. Comm.，J. SolidState Chem.，J. Phys. Chem. Solids.，J. Lumin.等國內外期刊上學術發(fā)表論文80余篇。
王茹，博士研究生，現(xiàn)就讀于東南大學化學化工學院。主要研究方向為納米光電材料在水污染處理領域的應用。
謝小雨，博士研究生，現(xiàn)就讀于東南大學生物科學與醫(yī)學工程學院。主要研究方向為納米光電材料在光電解水領域的應用。