极化调控缺陷偶极有序排列实现压电催化剂的压电性与载流子浓度协同优化

《Communications Chemistry》：Defect dipole alignment mediated by poling for simultaneous optimization of piezoelectricity and carrier concentration in piezocatalysts

本研究针对压电材料在压电催化过程中高载流子浓度与高压电系数难以兼得的科学难题，通过外电场极化调控氧空位缺陷偶极排列，在Bi2WO6-x材料中实现了d*33~39.89 pm V-1的压电系数与Nd~7.39×1020cm-3的载流子浓度协同提升，最终获得3.49 μmol g-1h-1W-1的压电催化产氢效率，为清洁能源转换材料设计提供了新范式。

　　

在碳中和背景下，氢能作为清洁能源载体备受关注。压电催化技术能够将环境中广泛存在的机械振动能直接转化为化学能，为绿色制氢提供了新路径。然而传统压电材料面临一个关键矛盾：高压电系数材料往往载流子浓度低（N_d=10¹⁷~10¹⁹cm^-3），而通过缺陷工程提高载流子浓度又会因电荷屏蔽效应和畴壁钉扎作用削弱压电性能。这一"鱼与熊掌不可兼得"的困境严重制约了压电催化效率的提升。

针对这一挑战，徐晓丽团队在《Communications Chemistry》发表的研究提出了一种创新解决方案：通过外电场极化调控氧空位缺陷偶极的有序排列，在Bi₂WO_6-x（BWO-OV）材料中同步优化压电性能和载流子浓度。研究人员采用乙二醇辅助溶剂热法合成氧空位修饰的BWO-OV材料，并通过精确控制电场强度和作用时间实现缺陷偶极的定向排列。

关键技术方法包括：材料表征（XRD、HRTEM、XPS、EPR）、压电性能测试（PFM）、电化学分析（Mott-Schottky、EIS、压电电流）以及压电催化产氢评价体系。研究通过调控极化温度（25-100°C）和电压（5-10 kV）优化处理参数，并在两种合成方法（溶剂热法和水热法）制备的样品中验证策略普适性。

材料表征

EPR测试显示BWO-OV在g=2.003处出现对称信号，证实氧空位存在。XRD和HRTEM分析表明氧空位引入导致晶格间距从0.319 nm扩大至0.333 nm，而极化处理后晶格畸变减小。XPS结合能位移证实极化处理改变了Bi、W、O原子的配位环境，BET比表面积分析显示极化使BWO-OV-P比表面积增加6.22%至89.95 m²g^-1。

压电性能

PFM测试表明极化处理使BWO-OV-P的压电响应振幅提升至500-550 pm，相位角分布范围达到140-160°，呈现高度有序的极化方向。压电系数d*₃₃从BWO-OV的4.79 pm V^-1显著提升至39.89 pm V^-1，增幅超8倍。机理分析表明外电场使铁电畴和缺陷偶极极P_d沿电场方向排列，协同增强压电响应。

极化与氧空位对载流子迁移的影响

Mott-Schottky测试显示在超声振动条件下，BWO-OV-P的载流子浓度达到7.39×10²⁰cm^-3，振动前后ΔN_d差值达3.46×10²⁰cm^-3。EIS表明BWO-OV-P具有最小的电荷转移电阻，压电电流测试验证其最强的电荷分离驱动力。

压电催化性能与机理

压电催化产氢实验表明，BWO-OV-P的产氢速率达87.5 μmol g^-1h^-1，较未极化样品提升43.0%。优化极化参数（100°C，10 kV）可使产氢速率进一步提升至349.2 μmol g^-1h^-1，单位功率产氢效率达3.49 μmol g^-1h^-1W^-1，优于大多数已报道压电催化剂。能带结构分析显示BWO-OV-P的导带底（E_CB）为-0.57 V vs. RHE，满足质子还原势垒要求。

研究结论表明，通过极化调控缺陷偶极排列可同步优化压电材料的压电性能和载流子传输特性。该策略成功解决了压电催化领域长期存在的性能权衡难题，为设计高效能量转换材料提供了新思路。特别值得注意的是，该方法在两种不同合成路线制备的材料中均表现出显著效果，证明了策略的普适性。这项工作不仅推动了压电催化基础理论发展，也为氢能经济提供了技术支撑，在清洁能源领域具有重要应用前景。