通过K掺杂改善Na0.5Bi0.5TiO3钙钛矿的压电催化性能，以实现高效的罗丹明B降解

《Journal of Water Process Engineering》：Improvement of piezocatalytic performance of Na 0.5Bi 0.5TiO 3 perovskite using K doping for efficient Rhodamine B degradation

钾掺杂钠锑 titanate（NKxBT）纳米粉末通过溶胶-凝胶自燃法制备，并研究其在超声振动下对罗丹明B（RhB）的压电催化降解性能。发现NK15BT因存在相界（MPB）、晶格应变、较小晶粒尺寸和最优带隙，降解效率达99.8%，且可重复使用。

　　这项研究探讨了钾掺杂钠铋钛酸盐（NKxBT）作为压电催化剂在降解有机染料罗丹明B（RhB）方面的潜力。研究主要关注了NKxBT在超声波作用下的压电催化性能，特别是在不同钾掺杂比例下的结构、形态、光学特性以及催化效率的变化。通过实验，研究人员发现NKxBT在超声波作用下表现出优异的降解能力，其中NK15BT样品在仅90分钟内实现了对RhB的完全降解，并且其降解速率常数是未掺杂NK0BT的8倍。这表明NK15BT在压电催化方面具有显著优势，可能成为一种高效的绿色催化剂。

NKxBT的合成采用了溶胶-凝胶自燃烧法，这种方法能够快速制备出纳米级别的均匀粉末，相较于传统的固态合成方法，具有更小的颗粒尺寸和更佳的分散性。这种合成方法的优势在于其能够有效控制材料的微观结构，从而优化其压电性能。通过X射线衍射（XRD）和拉曼光谱分析，研究者发现NK15BT样品在晶体结构上表现出中间的形态学相变边界（MPB），即两种不同结构共存的现象。这种MPB的存在被认为是提升压电性能的重要因素，因为它可以增加材料的极化能力和电荷分离效率。

在光学特性方面，研究团队通过带隙能量的计算，发现NK15BT的带隙值最低，仅为2.75 eV，这有助于电子更容易被激发，从而提升催化活性。此外，NK15BT的颗粒尺寸也较小，约为134 nm，这增加了其比表面积，提高了催化剂与RhB分子之间的接触效率。同时，NK15BT表现出良好的可重复使用性，其降解效率在三次循环后仍保持较高水平，显示出良好的稳定性和环境友好性。

在压电性能的分析中，研究者利用压电响应力显微镜（PFM）对NK0BT和NK15BT样品进行了测试，结果显示这两种样品具有明显的压电活性，其内部电场能够促进电荷的分离和迁移，从而提高催化效率。实验还表明，NK15BT的压电性能优于未掺杂的NK0BT，这可能与其结构中的MPB区域和优化的带隙值有关。

通过实验数据的对比分析，研究人员发现NK15BT在降解RhB方面表现出卓越的性能。其降解效率达到99.8%，远高于其他掺杂比例的样品。这一高效性能的提升主要归因于其结构特征，如MPB的形成、较小的颗粒尺寸、优化的带隙值以及较高的晶格应变。这些因素共同作用，增强了电荷分离能力，提高了反应活性，从而显著提升了压电催化效果。

为了进一步理解NK15BT的降解机制，研究者进行了自由基捕获实验，发现其主要的活性物种是压电生成的空穴（h+）和羟基自由基（·OH）。这些活性物质在超声波作用下能够有效氧化和分解RhB分子。同时，研究还表明，NK15BT的催化性能不仅依赖于其压电特性，还与材料的表面电荷行为有关。在特定的pH条件下，材料的表面电荷能够促进RhB的降解，而非吸附过程。

在实际应用方面，NK15BT作为一种压电催化剂，展示了其在废水处理中的潜力。由于其在超声波作用下能够高效降解有机污染物，并且具备良好的可重复使用性，因此有望在环境治理领域发挥重要作用。此外，研究还提出了未来研究的方向，包括将该催化剂应用于实际废水处理系统、进一步鉴定其活性自由基和降解中间产物、评估其在重复使用过程中的稳定性以及结合可见光或太阳能增强其降解性能。

整体来看，这项研究通过系统的实验和分析，揭示了NKxBT作为压电催化剂在降解有机染料方面的优异性能。NK15BT因其独特的结构特性，如MPB的形成、较小的颗粒尺寸和优化的带隙值，成为最具潜力的催化剂。这种材料不仅在实验室条件下表现出高效的降解能力，还具备良好的环境友好性和可重复使用性，为未来开发更高效的绿色催化剂提供了新的思路。同时，研究还强调了压电催化作为一种新型的绿色能源利用方式，在环境保护和可持续发展方面的应用前景。