【儀表網 研發快訊】近日，由西安交通大學物理學院張樂研究員、楊森教授及前沿科學技術研究院王棟教授領銜的TFML-MMSH跨學科研究小組，在新型壓電催化材料領域取得最新突破性進展，相關成果已被國際材料科學權威期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)正式接收并在線發表。
隨著工業生產規模擴大，有毒染料的使用量逐年攀升，其引發的持久性水污染問題正受到全球關注。這類污染物不僅難以自然降解，還會通過水體滲透至土壤和地下水，對生態系統造成連鎖破壞。環保監測數據顯示，傳統處理技術對有毒染料的降解效率普遍偏低，導致大量有毒芳香族中間體及殘留污染物長期潛伏在自然環境中，對動植物生存和人類健康構成潛在威脅。此前，研究人員曾寄望于半導體鐵電體材料解決這一難題。這類材料因自身具有自發極化特性，可通過內部形成的極化場實現光催化降解，但其實際應用中存在兩大短板：一是對光能的利用效率不足，二是電荷載流子分離速度緩慢，導致處理周期冗長，且降解效率始終難以突破90%。這一技術瓶頸成為制約水污染治理的關鍵障礙。
圖 1. BNL3T新型壓電催化納米顆粒在超聲和紫外光下對RhB的降解過程。
近日，張樂研究員研究小組報道了一種新型無鉛環保La摻雜(Bi,Na)TiO?(BNL3T)鐵電納米粒子，通過光致發光光譜(PL)對BNL3T壓電光催化降解RhB溶液的效率進行測試，其可在極短的反應時間(<30分鐘)內對常用染料羅丹明B(RhB)實現了接近100%的降解率(如圖1所示)，結果顯示其性能優于目前所有同類材料。值得注意的是，該反應的一級速率常數(k = 0.17 min?¹)較傳統基于BiFeO3(BFO)和BaTiO3(BTO)體系的壓電或光催化劑高出一個數量級，為有機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)計算表明，該材料優異的催化性能源于兩個關鍵因素：1)通過在La位點的直接電子激發增強了電子參與度；2)由于La摻雜過程中極化幅度的增加，其高的內在電場提高了電子-空穴分離效率。本研究通過稀土元素摻雜同時調控無鉛鐵電納米材料極化與能帶結構，為設計高性能環境催化劑提供了可行的思路與方法。
圖 2. BNLxT 電子結構分析。(a)-(c)BNT、BNL0.125T 和 BNL0.25T 的反折疊能帶結構。(d)-(f)G點附近分別在 La、Bi 和 Na 上能帶投影，對應于(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算帶隙的Tauc圖。
上述研究成果近期以《采用稀土調控能帶/極化結構實現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，發表于國際權威期刊《先進功能材料》(Advanced Functional Materials)。西安交通大學物理學院為第一通訊單位，物理學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高級工程師、香港理工大學陳子斌教授和西安交通大學物理學院楊森教授。本工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金，中國博士后基金、西安交通大學青年拔尖人才計劃等項目資助。同時感謝西安超算中心為本研究提供的計算資源支持。
張樂，西安交通大學物理學院特聘研究員、青年拔尖人才、博導，智能材料與傳感團隊TFML-MMSH實驗室主任；長期專注于智能材料高性能化實驗設計及計算模擬方法。
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