原位调控孔结构提升BaTiO3纳米线压电催化性能的研究

《Nano Convergence》：Improved piezocatalytic performance of BaTiO? nanowires via in situ pore structure regulation

本研究针对压电催化过程中催化剂比表面积和孔结构对反应效率的关键影响，通过溶剂调控的溶剂热法合成多孔BaTiO3纳米线。优化后的催化剂在10分钟内对罗丹明B（RhB）的降解效率高达98%，反应速率常数达到0.38 min-1。该研究通过实验结合有限元模拟阐明了多孔结构在提升压电催化性能中的多重作用机制，为压电催化材料的设计开发提供了新思路。

　　

随着全球环境问题日益严峻，高效的环境修复策略变得愈发重要。以染料废水处理为例，其高有机污染物含量和复杂成分对环境构成严重威胁。目前的高级氧化工艺（AOPs）中，压电催化作为一种新兴技术，能够利用机械能（如振动、摩擦或超声波）驱动化学反应，相比光催化具有不依赖特定光源的独特优势。然而，压电催化剂的性能优化仍面临挑战，特别是催化剂比表面积和孔结构对反应效率的影响机制尚不明确。

在这项发表于《Nano Convergence》的研究中，刘怡仁等人通过巧妙的溶剂调控策略，成功实现了BaTiO₃纳米线孔结构的原位调控，显著提升了其压电催化性能。研究人员采用两步溶剂热法合成BaTiO₃纳米线，通过调节反应溶剂（水、乙醇、丙酮和乙醚）实现了对催化剂孔结构的精确控制。

研究采用的主要技术方法包括：溶剂热法合成BaTiO₃纳米材料，X射线衍射（XRD）和拉曼光谱进行物相分析，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）表征微观结构，比表面积及孔隙度分析仪（BET）测定孔结构参数，压电力显微镜（PFM）评估压电响应，以及超声催化降解罗丹明B（RhB）溶液评价催化性能。

3.1 Structure and morphology

研究发现不同溶剂中合成的BaTiO₃呈现出显著不同的形貌特征。在水、乙醇和丙酮中成功获得了均匀的纳米线结构，而在乙醚中则形成了纳米颗粒。特别值得注意的是，在乙醇中合成的BT-E样品呈现出由细小纳米颗粒松散堆积形成的多孔结构，其比表面积高达115.44 m²/g，远高于其他样品。

3.2 Underlying mechanism for BaTiO₃ nanowires growth

机理研究表明，在不同溶剂中BaTiO₃的生长机制存在本质差异。在水溶液中遵循"溶解-再结晶"机制，形成致密的高结晶度纳米线；而在乙醇中，由于反应物溶解度极低，转变为原位转化机制，Ba²⁺离子从外向內渗透进入NTO纳米线，同时保持纳米线形貌，形成疏松多孔结构。

3.3 Pore structure of BaTiO₃ nanowires

孔隙结构分析显示，BT-E具有最适宜染料分子传输的孔结构，不仅比表面积最大（115.44 m²/g），孔体积最高（0.44 cm³/g），且孔径分布以5-12 nm为主，与RhB分子尺寸（约1.8 nm）匹配良好。有限元模拟进一步表明，在超声空化产生的微射流作用下，染料溶液在纳米线孔隙中的流速显著增加，加速了传质过程。

3.4 Piezoelectric response

压电性能表征发现，BT-E的压电响应强度是BT-W的两倍，这归因于其较小的晶粒尺寸带来的更高结构柔性和多孔结构引起的局部应变集中。此外，多孔结构中低介电常数区域（孔隙可近似为空气）的存在降低了材料的整体相对介电常数，进一步增强了压电势。

3.5 Piezocatalytic performance

压电催化性能测试表明，BT-E表现出卓越的催化活性，在10分钟内对RhB的降解率高达98%，反应速率常数达到0.38 min^-1，分别是BT-A、BT-W和BT-D的5.5倍、27倍和48倍。经过五次循环使用后，催化效率仅下降6%，显示出良好的稳定性。

该研究通过系统的实验分析和理论模拟，阐明了多孔结构在提升压电催化性能中的多重作用机制：优化的孔结构不仅提高了反应物的传输速率，还增强了内建电场并增加了材料的体电阻率，这些因素共同促进了催化剂表面屏蔽电荷参与氧化还原反应的效率。BT-E样品的高体电阻率（1.9×10⁹ Ω·cm）有效抑制了表面屏蔽电荷向材料体相的迁移和耗散，从而显著提升了催化效率。

这项研究不仅开发了一种高性能的压电催化剂，更重要的是揭示了孔结构调控在压电催化中的关键作用，为未来压电催化材料的设计和优化提供了新的思路和理论依据。通过合理的结构设计，可以同时实现高比表面积、优化的传质效率和增强的压电响应，为环境修复领域的实际应用奠定了坚实基础。