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?蘇黎世聯(lián)邦理工Nano Energy: 調節(jié)Bi4Ti3O12納米片中的氧空位以提高壓電光催化活性

壓電光催化已成為解決環(huán)境污染和快速增長的能源短缺問題的一種有效的策略。然而，壓電光催化劑的電荷分離效率仍然不理想，這嚴重限制了該方法的進一步發(fā)展。因此，通過對壓電光催化劑進行修飾改性以提高其催化效率具有重要意義。

近日，蘇黎世聯(lián)邦理工學院Salvador Pané和Wu Jiang等一系列不同氧空位(O_V)濃度的Bi₄Ti₃O₁₂(BIT)納米片(BIT-O_V)，并對其光催化性能、壓電催化性能和壓電光催化性能進行了研究。

使用羅丹明B (RhB)作為模型污染物，研究人員測試了BIT-O_V催化劑的壓電光催化性能。結果表明，與原始BIT納米片相比，具有優(yōu)化的O_V濃度的BIT表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電光催化活性，其對羅丹明B (RhB)的降解速率常數(k=0.214 min^?1)增強了2.2倍。

此外，研究人員利用密度泛函理論(DFT)研究了O_V對吸附能和Bader電荷的影響，確定了O_V能夠改善壓電光催化活性。具體來說，O_V的引入增加了反應中間體的吸附能和Bader電荷，從而增強了O₂/H₂O和BIT之間的電荷轉移，從而促進了催化過程。

研究人員總結了BIT-O_V納米片的壓電光催化降解機理：在超聲振動作用下，BIT納米片在空化壓力作用下發(fā)生變形，正負電荷在相反的晶體表面聚集形成電場；在光輻照和超聲振動共同作用下，BIT同時產生壓電極化和光生載流子；在壓電極化的驅動下，光生載流子能夠有效地分離并快速遷移到表面，大大降低了復合速率。

此外，壓電極化還可以使能帶傾斜，使價帶更負，導帶更正，因此，當壓電催化和光催化共同作用時，大量的電子和空穴可以與氧或水分子發(fā)生氧化還原反應，從而產生更多的自由基和更高的催化效率。

總的來說，這項工作將促進對O_V對壓電光催化活性的影響的更深入的理解，也為設計結合機械振動和太陽輻照降解污染物和產生活性氧的高效催化劑提供新的策略。

Tuning Oxygen Vacancies in Bi₄Ti₃O₁₂ Nanosheets to Boost Piezo-photocatalytic Activity. Nano Energy, 2023. DOI: 10.1016/j.nanoen.2023.108202

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