Bi5Ti3FeO15纳米纤维双路径自促进压电催化H2O2生成机制及性能研究

针对传统H2O2合成方法高能耗、高污染的瓶颈，研究人员通过Bi5Ti3FeO15纳米纤维的压电催化实现了机械能驱动的H2O2高效合成。研究发现双路径反应（ORR/WOR）协同机制使产率从331提升至746 μmol g?1 h?1，并通过pH动态监测揭示了自促进反应路径，为绿色化学合成提供了新策略。

　　

随着全球对过氧化氢（H₂O₂）需求的激增，传统蒽醌法合成工艺面临贵金属催化剂依赖、高能耗和环境污染等严峻挑战。尽管光催化、电催化等替代技术取得进展，但存在可见光利用率低、电极材料昂贵等问题。压电催化作为一种新兴的机械能转化技术，有望在无光条件下实现高效H₂O₂合成，但其反应路径模糊、催化效率受限成为领域发展瓶颈。

针对这一科学难题，国内某研究团队在《Materials Reports: Energy》发表了关于Bi₅Ti₃FeO₁₅纳米纤维压电催化性能的研究。研究人员通过静电纺丝结合煅烧法制备纳米纤维，采用XRD、TEM、XPS等技术表征材料结构，结合原位pH监测、自由基捕获实验和电化学测试，系统探究了H₂O₂生成动力学与反应机制。

结果与讨论
材料表征
SEM和TEM显示制备的Bi₅Ti₃FeO₁₅纳米纤维由100-350 nm颗粒组成，XRD证实其为正交晶系（JCPDS 89-8545）。HRTEM观察到0.299 nm和0.382 nm晶面间距，SAED衍射斑点证实高结晶性。XPS显示Bi³⁺、Ti⁴⁺、Fe³⁺价态及氧空位存在。

催化性能
在无牺牲剂条件下，H₂O₂产率从第1循环的331 μmol g^?1 h^?1持续提升至第10循环的746 μmol g^?1 h^?1，5小时累积产量达1380 μmol g^?1。pH监测发现反应液酸度随循环加深（ΔpH=-0.34），表明水氧化反应（WOR）持续产生H⁺。

反应路径解析
自由基捕获实验显示：

• 苯醌（BQ）使产率下降69%，证实•O₂^?是ORR关键中间体
• EDTA-2Na抑制h⁺使产率骤降79%，表明WOR贡献显著
• AgNO₃捕获e^?导致pH骤降0.62，验证电荷分离作用
  荧光光谱和EPR检测到•OH和•O₂^?信号，但TBA实验表明•OH对H₂O₂生成贡献微弱（<10%）

能带机制
UV-Vis测得带隙2.47 eV，XPS-VB确定价带位置1.61 V（vs NHE）。动态Mott-Schottky测试发现超声振动使平带电位正移0.29-0.39 V，满足2H₂O+2h⁺→H₂O₂+2H⁺（1.76 V）的热力学要求。压电流测试显示稳定的电荷分离效率。

结论与意义
该研究首次揭示了Bi₅Ti₃FeO₁₅纳米纤维通过双路径协同机制实现H₂O₂自促进生成：WOR产生的H⁺驱动•O₂^?向H₂O₂转化（1.44 V），而能带弯曲使空穴具备足够氧化电位。这种"机械能-化学能"直接转化策略为绿色合成提供了新思路，其pH监测方法可拓展至光/电催化体系，对开发环境友好型催化材料具有重要指导价值。