氢气具有比碳氢化合物燃料更高的能量密度，且在燃烧过程中零碳排放，在全球发展中具有很大的需求。由于机械能丰富易获得，以及应变诱导的压电场带来的良好的电荷分离效果，压电催化在分解水制氢气方面展现了突出的潜力。压电催化分解纯水更易获得H₂、H₂O₂和·OH，不仅能避免H₂和O₂易反应难分离的问题，还能获得更有价值的H₂O₂，可用于纸浆漂白、惰性碳氢键活化成甲烷、消毒等。目前，压电催化性能依然较低，且缺乏对压电材料的晶体结构与催化活性之间关系的深入理解。同时，开发高效压电材料对推动压电催化在各个应用领域的研究和发展具有重要意义。Bi₄O₅X₂ (X = Br, I)由于窄的带隙主要被用于光催化研究，其晶体结构属于P2₁空间群，非对称性结构赋予其压电特性，能够通过压电效应将机械能转化为化学能。此外，由于Bi₄O₅X₂具有层状晶体结构，易于形成二维薄层纳米片结构，使Bi₄O₅X₂具有高的机械能捕获能力、短的电荷传输距离以及大的比表面积，都有利于获得高效的机械诱导的压电催化水分解性能。特别是，卤氧化铋中层间卤素种类的多样性为探究层状晶体结构与压电催化性能的内在关系提供了很好的机遇。

 针对以上问题，我校材料科学与工程学院博士生王春杨在“资源综合利用与环境能源新材料”创新团队黄洪伟教授和张以河教授指导下，合成了Bi₄O₅X₂ (X = Br, I)薄层纳米片，并首次将其应用于压电催化纯水分解。在没有使用任何助催化剂和牺牲剂的情况下，Bi₄O₅Br₂和Bi₄O₅I₂薄层纳米片的压电催化分解水产H₂速率分别可达到1149.0 μmol·g^-1·h^-1和764.5 μmol·g^-1·h^-1，同时氧化产物为H₂O₂和羟基自由基(·OH)，这优于大多数已报道的压电催化剂。PFM与KPFM测试、DFT计算和FEM模拟证明了其优异的压电催化性能得益于其易变形性、高效的电荷分离、极性层状结构引起的优异压电性。此外，小半径的层间阴离子更有利于形成具有大偶极矩和更高压电性的强极性晶体结构，从而在保持极性晶体结构不变的情况下获得更优异的压电催化活性。本研究拓宽了能够有效转换机械振动能实现可持续能源催化的压电材料范围，并有望为压电催化领域提供新的研究思路，即通过合理设计层状催化剂的层间结构构建高性能压电催化体系。

图1. 压电催化纯水分解产H₂，H₂O₂和·OH性能图

图2. 催化剂的FEM和偶极矩分析

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Advanced Functional Materials》上：Chunyang Wang, Cheng Hu, Fang Chen, Haitao Li, Yihe Zhang, Tianyi Ma, Hongwei Huang*, Polar Layered Bismuth-Rich Oxyhalide Piezoelectrics Bi₄O₅X₂ (X=Br, I): Efficient Piezocatalytic Pure Water Splitting and Interlayer Anion-Dependent Activity. Adv. Funct. Mater. 2023, 2301144. [IF2022=19.0]

 全文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202301144