综述：新兴压电催化剂：金属有机框架及其衍生物

这篇综述系统总结了金属有机框架（MOFs）作为压电催化剂（piezocatalysts）在环境修复与清洁能源领域的应用潜力，重点阐述了其非中心对称结构、可调谐分子设计、高比表面积等优势，并探讨了通过掺杂（doping）和异质结（heterostructure）设计提升压电催化效率的策略，为开发高效MOFs基压电材料提供了理论指导。

　　

引言

压电催化技术通过机械能-化学能转化，为废水处理和清洁能源生产提供了新思路。传统无机压电材料（如BaTiO₃、ZnO）因结构刚性和低比表面积受限，而金属有机框架（MOFs）凭借其可设计的晶体结构、高孔隙率和功能可调性成为理想替代品。MOFs由金属节点（如Zr、Hf）与有机配体（如羧酸、咪唑）自组装而成，其非中心对称特性（non-centrosymmetric）赋予压电响应，而半导体特性（如UiO-66-NH₂带隙2.85 eV）则促进电荷分离。

MOFs在压电催化中的优势

强压电/铁电响应：MOFs如UiO-66(Zr)-(OH)₂通过压电力显微镜（PFM）测得压电系数d₃₃达3.5 pm V^?1，而CdI₂-INH=CMe₂的d₃₃高达143 pC N^?1，远超商用聚偏氟乙烯（PVDF）。铁电滞后回线（PR loops）和二次谐波（SHG）响应证实其极化特性。

高热/化学稳定性：MIL-53(Al)在500°C下稳定，ZIF-8可耐受沸腾碱液。UiO-66通过羧酸配体强键合实现pH稳定性（pH 1-14），而低价金属（如Zn²⁺）与氮唑配体的MOFs（如ZIF-8）在碱性环境中表现优异。

可调控分子结构：Co-Gallate经Mg/Mn/Ni掺杂后剩余极化强度提升2-6倍；Zr掺杂MOF-802(Hf)的极化强度达0.511 μC cm^?2。腺嘌呤（adenine）修饰的UiO-66（AD-U）通过增强结构不对称性，使RhB降解率提升至93%。

大比表面积：ZIF-8比表面积达1383 m² g^?1，CAU-17（311 m² g^?1）比FCAU-17（4.7 m² g^?1）的RhB降解效率高11.5%，证实活性位点密度对催化效率的关键作用。

提升压电催化性能的策略

单金属MOFs优化：NH₂-UiO-66(Zr)在超声下80%降解RhB，而Hf同系物（UiO-66-NH₂(Hf)）因金属节点差异使产氢速率提升2.2倍。2D UiO-66-F₄通过氟化配体调控极化，产氢量达178.5 μmol g^?1（5 h）。

双金属MOFs设计：Zr-Hf双金属UiO-66（UN(0.75Zr)）因最佳原子比例实现96.78% RhB降解（30 min）。Mn-Ti双金属MOF（MT-MOF TNS）产生2.9 V压电压，驱动活性氧（ROS）生成，拓展生物医学应用。

异质结构建：NaNbO₃@ZIF-8核壳结构将产氢速率提升至1.16 mmol g^?1 h^?1；ZIF-67N@BiFeO₃@CdS三元体系通过Z型机制（Z-scheme）实现85% BPA降解。

挑战与展望

结构稳定性：需开发耐受机械应力与化学腐蚀的MOFs，如通过单晶X射线衍射（XRD）指导设计。
机制澄清：需区分压电效应与声催化（sonocatalysis），结合原位X射线吸收谱（XAS）和计算模拟解析电荷转移路径。
成本控制：探索廉价配体（如生物质衍生物）和绿色合成工艺（如水热法）是规模化关键。

MOFs压电催化剂的未来应用将超越H₂生产和污染物降解，向CO₂还原、固氮（N₂ fixation）及抗菌领域拓展，推动可持续技术的发展。