综述：压电-光异质结的最新进展：综述其在废水处理和同时产氢方面的双重催化功能

《Coordination Chemistry Reviews》：Recent advances in piezo-photo heterojunction: a review on dual catalytic function for wastewater remediation and simultaneous hydrogen generation.

压电光催化异质结通过机械应力与光激发协同作用提升活性氧生成效率，降低电荷复合率，增强催化剂稳定性及氢气产率，为废水处理与清洁能源生成提供高效解决方案。

　　水污染和能源危机已成为现代文明面临的持续性威胁。有机染料、药品、病原体、农药、化肥等污染物破坏了生态平衡，同时对人类健康造成了诸多危害。另一方面，像煤炭、石油等不可再生能源的枯竭也对现代化进程、环境以及工业生产产生了深远影响。在过去的几十年中，压电催化和光催化技术作为先进的氧化工艺逐渐崭露头角，被广泛应用于废水处理和催化能源生成，例如绿色氢气的生产。然而，这些催化系统仍然存在一些限制，如反应时间较长、光生电子-空穴对的复合率较高、能量效率较低等，这些问题促使研究人员不断探索新的方法来提升催化性能，如通过复合材料的构建、金属离子的植入、异质结构的发展等手段。本文深入探讨了压电-光异质结构及其在多动态催化性能提升和绿色氢气生成方面的潜力。这种夹层结构的异质结构通过增强活性氧物种（ROS）的生成、降低电子-空穴对的复合率以及提升催化剂的稳定性，从而显著改善了催化效果和氢气生成效率。文章还涵盖了机械应力驱动的压电催化和光脉冲引发的光催化机制，并分析了不同类型的异质结构系统及其电子结构特征。此外，本文还讨论了不同异质结构的制备策略、操作条件、性能评估以及在实际应用中的稳定性、可扩展性等挑战，进一步验证了该多功能系统的环境修复和清洁能源生成能力。

现代工业化进程是推动人类社会经济和文化发展的核心动力。自18世纪的工业革命以来，钢铁、纺织等产业的兴起极大地改变了人类的生活方式，并为全球经济带来了持续增长。然而，进入21世纪后，全球范围内，包括人类和其他生物物种，正逐渐感受到工业化带来的负面影响。例如，纺织、化工、制药、钢铁等行业在生产过程中排放大量废水，这些废水中含有多种有害污染物，如染料、合成化学品、有机物和有毒重金属。这些污染物的无序排放对水生生态系统、人类健康和水资源构成了严重威胁。未受控制的化学物质、重金属和工业废水的释放，使水体环境遭到破坏，不仅影响生态平衡，还使水体无法满足农业灌溉、饮用水供应等基本需求。据相关报告预测，到2050年，普通民众可获得的饮用水将不足1%。因此，废水处理技术的创新和发展变得尤为迫切。

在废水处理过程中，科学家们已经开发出多种传统技术，如吸附和生物修复等。这些方法在成本效益和环保性方面具有一定优势，但在实际应用中仍存在局限性。例如，吸附过程可能在污染物相变过程中产生二次污染，而生物修复方法如超积累、真菌修复等虽然在某些情况下有效，但其实施周期较长，且重复使用性较差。此外，近年来也发展出一些先进的、高效的技术，如电芬顿、离子交换、凝聚等。然而，这些技术通常需要较高的能耗，操作复杂，不便于大规模应用。因此，如何开发一种既高效又环保的废水处理和能源生成方法，成为当前科研的重点方向之一。

氢气的生产作为替代传统化石燃料的一种方式，近年来备受关注。氢气不仅是一种清洁能源，还能在废水处理过程中起到关键作用。通过水的裂解反应生成氢气，不仅能够满足日益增长的能源需求，还能在处理过程中同步去除有机污染物。这种催化分解方法，结合了压电和光催化两种机制，能够有效应对废水处理和燃料电池生产中的挑战。压电-光双功能方法通过机械应力和光激发反应的协同作用，为解决上述问题提供了一种创新、环保、生物相容且节能的解决方案。然而，该方法在实际应用中的效果和可扩展性仍然受到质疑，因为其降解过程所需时间较长，且氢气的生成量相对有限，仅适用于小规模的开发。

为了解决这些问题，研究人员探索了多种材料改性方法，如掺杂、pH调节、带隙调控以及晶体工程等，以提升原始材料的性能。尽管这些方法在一定程度上提高了催化效率，但它们在实际操作中仍存在一定的不便，难以全面应对复杂的环境问题。因此，压电-光催化分解技术需要进一步升级，以实现大规模应用，并显著增强其催化性能。压电-光异质结技术在这一方面展现出了巨大的潜力。与传统的压电和光催化剂相比，压电-光异质结通过结合机械和光学激发，实现了更高效的电荷分离和转移，从而克服了单一材料在电荷复合方面的局限性。这种异质结构不仅拓展了实验的可行性范围，还能在大多数自然环境中稳定运行。

压电-光异质结构的显著优势在于其通过材料间的相互作用，优化了电子、机械和光学等基本性能。异质结构的设计通常包括不同带隙对齐、压电特性和光学性质的材料组合，从而增强了整体的稳定性、光吸收能力和载流子管理效率。此外，这种结构在降解有机污染物和生成氢气方面表现出色，使其成为一种高效、环保、经济可行的解决方案。在废水处理和能源生成领域，压电-光异质结构的多功能性使其能够同时应对多个挑战，从而提升了其在实际应用中的价值。

本文系统地回顾了压电-光异质结构的基本原理，探讨了其与传统压电-光催化剂之间的区别，并详细分析了不同异质结构中电荷转移的机制。同时，文章还深入研究了该异质结构在废水处理和氢气生成中的具体应用。通过结合界面化学特性，如键合模式、带弯曲和铁电极化调控，以及缺陷工程等手段，压电-光异质结构在技术经济层面展现出显著的潜力，尤其是在实际水处理应用中的可扩展性、能量成本和稳定性方面。此外，本文还展望了该技术的未来发展，探讨了如何在实际应用中更便捷地开发压电-光异质结构，以及其在大规模应用中的可能性。

在实际应用中，压电-光异质结构展现出强大的性能。其独特的结构设计使得在光照条件下，能够有效吸收光子能量并将其转化为电子-空穴对，从而促进污染物的降解和氢气的生成。同时，压电材料的特性使得即使在低光或无光条件下，也能通过机械应力激活催化剂，进一步提升了系统的适用性。在废水处理方面，压电-光异质结构能够高效分解有机污染物，去除重金属，并对微生物进行灭活。这些功能的实现依赖于异质结构中材料之间的协同作用，以及界面处的电荷转移机制。在氢气生成方面，该结构能够克服传统光催化剂在电荷分离、光吸收和反应动力学方面的不足，从而实现更高效的氢气生产。

然而，压电-光异质结构在实际应用中仍面临一些挑战和局限性。首先，设计和合成一种能够保持其物理化学特性的绝对异质结构是当前研究的重点之一。这要求对材料的制备过程进行精确控制，并通过缺陷工程等手段优化其性能。其次，异质结构在实际水处理应用中的稳定性仍然需要进一步验证。此外，如何在大规模应用中实现该技术的可扩展性，也是未来研究的重要方向。虽然当前的研究已经取得了一定进展，但仍然需要进一步探索，以解决实际应用中的各种问题。

未来的研究方向包括开发新型材料设计，如核壳结构和多层异质结构，这些设计能够显著提升压电-光异质结构的性能。核壳结构通常由一个内部的压电核心和一个外部的光催化壳层组成，这种结构不仅能够增强电荷分离能力，还能改善载流子的传输效率。多层异质结构则通过分层设计，进一步优化了电荷转移路径和反应效率，从而提升了整体的催化性能。此外，研究人员还在探索如何通过调控异质结构的界面化学特性，如带弯曲和铁电极化，来进一步提升其在废水处理和能源生成中的表现。这些创新性的设计和调控手段，为压电-光异质结构在实际应用中的推广奠定了基础。

在结论部分，文章指出水体污染和化石燃料枯竭是当前环境工程师面临的两大主要问题。传统的废水处理技术，如沉淀、过滤和吸附等，难以有效清除工业废水中的污染物。因此，先进的氧化工艺，如压电催化、光催化和电解等，成为该领域的重要研究方向。尽管这些催化技术显示出良好的前景，但在实际应用中仍存在一些局限性。压电-光异质结构作为一种新型技术，结合了压电和光催化的优势，能够有效应对这些挑战，为废水处理和清洁能源生成提供了一种可持续的解决方案。未来的研究将继续聚焦于优化异质结构的设计和性能，以实现更广泛的应用和更高的效率。