压电效应增强的层次化蒲公英状Bi?Ti?O??/BaTiO?光催化性能在染料降解中的应用

《Separation and Purification Technology》：Piezotronics-enhanced photocatalytic performance of hierarchical dandelion-like Bi 4Ti 3O 12/BaTiO 3 for dye degradation

本研究采用模板-free一锅法制备了具有dandelion-like结构的Bi4Ti3O12/BaTiO3异质结催化剂。该催化剂因独特的层状纳米结构和异质结带结构，表现出优异的压光电催化性能，染料降解率达99.5%，且稳定性良好。机理研究表明，压电效应促进电荷分离，抑制电子-空穴复合，而异质结界面为载流子传输提供了高效通道。

　　

胡志文|张慧英|杨玉龙|鲍启富|董伟霞

中国景德镇陶瓷大学国家室内与建筑陶瓷工程研究中心，景德镇333403

摘要

光催化技术具有优异的催化性能，但在废水处理中的应用面临水质影响、去除效率有限以及稳定性不足等挑战。压电催化作为一种绿色低碳催化技术，在废水处理领域具有巨大潜力。在本研究中，我们采用无模板一步溶热法制备了一种类似蒲公英结构的Bi₄Ti₃O₁₂/BaTiO₃催化剂。由于氢氧化钾（KOH）的剪切作用和反应过程中的定向吸附，形成了由纳米片和纳米颗粒组成的分层微结构。与单独的Bi₄Ti₃O₁₂或BaTiO₃催化剂相比，该催化剂具有较高的比表面积和出色的压电光催化性能。Bi₄Ti₃O₁₂/BaTiO₃对染料的压电光催化降解效率可达99.5%，并表现出优异的稳定性和广泛的应用性。这一结果归因于异质结能带结构和压电性质的协同效应。此外，去除机制分析表明，空穴（h⁺）和超氧阴离子（O₂^?）在压电光催化降解过程中起主要作用。这项工作为开发高效的压电光催化复合催化剂提供了一种新方法，为废水处理带来了广阔前景。

引言

水污染传播迅速，对人类和水生生物具有危害性，已成为全球亟需解决的重大挑战[1]。尤其是彩色染料被广泛使用后，它们被释放到自然环境中，并通过水循环系统快速迁移，且不易自然降解，严重威胁着水生态安全和人类健康[2]。因此，有效处理水污染仍然是一个全球性难题[3]。光催化技术因其能够有效利用光能激发半导体，产生光电子（e^?）和空穴（h⁺从而促进污染物去除而广泛应用于环境修复[1]。然而，电子（e^?）和空穴（h⁺）的快速复合严重阻碍了光催化技术在工业中的应用[4,5]。最近的研究表明，利用交变电场促进载流子分离并抑制电子-空穴复合可以显著提高光催化剂的催化效率[2,6]。因此，构建压电光催化异质结是提高催化效率的关键，因为适当的能带结构可以改善载流子的分离效果。

钛酸钡因其高的压电常数而成为优异的催化剂复合基底，因为它可以建立压电场，驱动光生载流子的分离并提高催化效率[7]。先前有研究报道通过静电纺丝制备了类似刺的BaTiO₃-TiO₂复合纳米纤维，发现这些纤维对机械振动具有高敏感性，表现出优异的催化性能[8]。这一结果表明压电势是载流子分离的关键驱动力，而增强的变形性有助于产生更高的压电势[9]。此外，周期性超声振动激发的压电材料产生的电场可以促使电子（e^?-h⁺迁移到催化剂表面并参与氧化还原反应，从而表现出高催化活性[10]。压电场还驱动电子（e^?-h⁺的分离，有效防止了快速复合，增强了催化反应的动力学过程[11]。复合催化剂的结构和形态对于实现高效的环境修复至关重要。Bi₄Ti₃O₁₂是一种有前景的压电催化材料，因其制备简单、降解活性高且结构设计灵活[11,12]。然而，从钙钛矿和铋层状结构分别合成分层结构通常需要昂贵的模板方法，并涉及复杂的过程[13],[14],[15]。显然，低成本且高效的合成分层压电光催化剂对于改善水处理效果至关重要。

在本研究中，我们采用无模板一步溶热法制备了类似蒲公英结构的Bi₄Ti₃O₁₂/BaTiO₃催化剂。Bi₄Ti₃O₁₂/BaTiO₃具有分层结构，构建异质结为载流子分离提供了通道，实现了接近100%的染料去除率。此外，压电场调节了异质界面的电荷转移动态，为高效载流子分离提供了强大的驱动力，从而使Bi₄Ti₃O₁₂/BaTiO₃在去除多种染料废水方面表现出优异的压电光催化稳定性。

部分内容摘要

化学与材料

所有原材料均从Macklin Reagent Co.和Aladdin Reagent Co.（中国上海）购买。具体来说，三氧化二铋（Bi₂O₃）、二氧化钛（TiO₂）、氯化钠（NaCl）、氯化钾（KCl）以及罗丹明B（RhB）、刚果红（CR）和甲基橙（MO）等染料均来自Macklin。氢氧化钡（Ba(OH)₂、氢氧化钾（KOH）、十二烷基硫酸钠、聚乙烯醇（PVA）、对苯醌（p-BQ）、叔丁醇（TBA）、EDTA-2Na和叔丁基钛酸盐则从其他供应商处获取。

催化剂的制备与表征

制备的催化剂的XRD图谱如图2a所示，其衍射峰的位置和强度与BaTiO₃晶体（PDF 05–2656）和Bi₄Ti₃O₁₂（PDF 35–0795）一致。Bi₄Ti₃O₁₂/BaTiO₃的XRD曲线表明存在BaTiO₃（PDF 05–2656）和Bi₄Ti₃O₁₂（PDF 35–0795）的晶体相结构。FT-IR分析用于研究产品的化学成分和结构。图2b展示了

结论

本研究报道了一种简单且低成本的类似蒲公英结构的Bi₄Ti₃O₁₂/BaTiO₃异质结催化剂的制备方法。该催化剂具有优异的压电光催化性能和压电光协同效应，其反应速率常数（k）达到63.3 × 10^?3 min^?1。这种优异的性能主要归因于工程化的能带结构和压电效应建立的固有电场。一方面，能带结构提供了

CRediT作者贡献声明

胡志文：撰写——初稿、实验研究、数据分析。张慧英：方法设计、数据分析。杨玉龙：撰写——审稿与编辑、初稿撰写、资源获取、资金申请。鲍启富：资源协调、实验研究。董伟霞：撰写——审稿与编辑、监督指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号：52460003）、江西省自然科学基金（项目编号：20252BAC200289、20242BAB25319）、江西省重点自然科学基金（项目编号：20232ACB204017）和江西省重点研发计划（项目编号：20252310043BCE）以及景德镇市科学技术局（项目编号：20212GYZD009-18、20224GY008-16）的支持。