卤素阴离子工程调控铋富硫卤化物极化增强压电催化CO2 光甲烷化性能

针对CO2 光还原过程中电荷分离效率低和太阳能利用率不足的问题，研究人员通过卤素阴离子工程调控Bi19 S27 X3 （X=Br, Cl）纳米线的压电-光催化协同效应，实现了CH4 产率最高达110.40 μmol g?1 （6小时），为机械能-太阳能协同转化提供了新策略。

　　

在全球碳中和背景下，如何将温室气体CO₂
转化为高附加值燃料成为研究热点。传统光催化技术面临两大瓶颈：一是CO₂
分子线性结构的高解离能导致反应动力学迟缓；二是光生载流子易复合且太阳能利用率有限，尤其对近红外光响应差。尽管TiO₂
、铋氧卤化物等宽禁带催化剂已取得进展，但其性能仍受制于上述问题。近年来，压电催化（piezocatalysis）通过机械应力诱导的内建电场促进电荷分离，为太阳能转化提供了新思路，但高效压电-光催化双功能材料的开发及其构效关系研究仍属空白。

针对这一挑战，四川轻化工大学等机构的研究人员选择具有非对称层状结构的Bi₁₉
S₂₇
X₃
（X=Br, Cl）纳米线作为模型催化剂，通过卤素阴离子工程调控其压电极化特性，实现了CO₂
光甲烷化性能的显著提升。相关成果发表于《Materials Today Energy》。

关键技术方法
研究采用溶剂热法合成Bi₁₉
S₂₇
X₃
纳米线，通过X射线衍射（XRD）和电子显微镜确认晶体结构与形貌。利用开尔文探针力显微镜（KPFM）和压电力显微镜（PFM）表征材料表面电势与压电响应。CO₂
还原实验在超声-光照协同系统中进行，气相色谱定量分析产物。

研究结果

实验部分
通过调控卤素种类（Br^?
/Cl^?
）获得两种高纯度相：Bi₁₉
S₂₇
Br₃
（BSB）和Bi₁₉
S₂₇
Cl₃
（BSC）。

结果与讨论

1. 结构表征显示BSB和BSC均具有六方晶系层状结构，纳米线形态源于本征层状堆叠特性。
2. PFM证实BSC因Cl^?
   更高电负性产生更强固有极化（比BSB高1.8倍），压电系数d₃₃
   达12.4 pm/V。
3. 在超声-光照协同作用下，BSC的CH₄
   产率（110.40 μmol g^?1
   ）显著高于BSB（80.04 μmol g^?1
   ），且无需牺牲剂或助催化剂。

结论与意义
该研究首次阐明卤素阴离子工程对铋基硫卤化物压电-光催化协同效应的调控机制：Cl^?
通过增强晶格极化促进机械能-化学能转换效率，其诱导的内建电场使电荷分离效率提升2.3倍。这不仅为设计新型压电-光催化材料提供了"阴离子电负性-极化强度-催化活性"的明确构效关系，更开创了利用环境机械能辅助太阳能转化的新范式。

讨论延伸
作者Xian Shi等指出，该策略可拓展至其他层状压电材料体系，而纳米线形貌赋予材料优异的机械响应特性，为开发自供能环境治理系统奠定基础。未来通过多元阴离子共掺杂或异质结构建，有望进一步突破CO₂
转化效率的极限。