在Bi-MOF涂层的Bi?O?Se纳米片上，通过水和空气实现了更高效的压电催化H?O?生成

《Molecular Catalysis》：Enhanced piezocatalytic H 2O 2 production from water and air over Bi-MOF coated Bi 2O 2Se nanosheets

氢氧化过电位机械驱动高效合成氧化氢，通过超声能量激发Bi?O?Se纳米片与Bi-MOF异质结构，实现1965.9 μmol·g?1·h?1的高产率，界面电场与活性位点协同增强电荷分离和表面反应。

　　氢气过氧化物（H?O?）的合成是实现环保和能源应用的关键环节，然而目前的合成方法仍面临诸多挑战。近年来，一种利用机械能驱动化学反应的新兴技术——压电催化（piezocatalysis）逐渐受到关注，展现出巨大的应用潜力。压电催化技术通过将机械能转化为化学能，从而促进多种催化反应的进行。在本研究中，我们设计并制备了一种由二硒氧化铋（Bi?O?Se）纳米片与基于铋的金属有机框架（Bi-MOF）组成的复合压电催化剂，用于高效地从水和氧气中生成H?O?。实验结果表明，优化后的Bi?O?Se@Bi-MOF异质结构在超声波（53 kHz，100 W）照射下，于乙醇溶液中实现了高达约1965.9 μmol·g?1·h?1的H?O?产率，远超大多数已报道的压电催化剂和光催化剂。这一突破性成果为机械能驱动的可持续H?O?生成提供了一种简单而有效的策略，进一步推动了基于二维压电材料的压电催化技术的发展。

H?O?作为一种绿色氧化剂和潜在的能量载体，广泛应用于环境治理、化工生产和能源转换等领域。然而，传统的H?O?生产方法主要依赖于高能耗的蒽醌工艺，该工艺需要高压的氢气和氧气混合物，并会产生有害的有机废弃物。为了解决这些问题，科学家们探索了多种可持续替代方案，包括光催化、电催化和压电催化等。光催化技术虽然能够利用太阳能作为能源来源，但其在可见光照射下容易出现光生载流子的快速复合现象，导致量子效率较低。而电催化技术，尤其是通过使用贵金属催化剂实现的两电子氧还原反应（2e? ORR），虽然能够达到较高的法拉第效率（>90%），但需要持续的电能输入，高成本的膜材料，以及面临规模化应用的挑战。这些限制凸显了开发更加节能和经济的H?O?生成方法的必要性。

压电催化技术因其能够通过机械能驱动化学反应的特性，而被认为是一种极具前景的解决方案。机械能可以来源于振动、超声波或水流等自然现象，这些能量形式在许多实际场景中广泛存在，如水处理、生物医学工程和能源生产等。压电催化依赖于具有极性特性的材料，这些材料在受到机械应力时能够产生电荷，从而促进表面的氧化还原反应。在过去十年中，许多基于二维压电材料的催化剂被开发出来，其在性能上优于传统的压电材料。例如，Wang等人使用了金属自由的二维g-C?N?压电催化剂，在超声波（150 W，53 kHz）作用下实现了H?O?的高效生成，产率达到了约34 μmol·h?1。此外，研究者还设计了金属有机笼/金纳米颗粒修饰的g-C?N?，以提供多功能的活性位点，从而提高H?O?的生成效率，达到120.2 μmol·g?1·h?1的产率。这种材料的优化结构在纯水和空气中也表现出良好的催化性能。

然而，尽管这些研究取得了一定进展，压电催化技术的性能仍低于光催化技术。因此，需要在材料设计方面进行创新，以进一步提升压电催化性能，推动其在实际应用中的发展。二硒氧化铋（Bi?O?Se）作为一种具有非中心对称四方结构的二维半导体材料（空间群I4/mmm），近年来受到广泛关注，被视为下一代电子材料的候选者。Bi?O?Se表现出优异的本征压电性，以及出色的载流子迁移率（在300 K时达到20,000 cm2·V?1·s?1）。近期研究表明，Bi?O?Se纳米片在超声波作用下能够产生超过13.1 pm/V的高电势，显示出良好的机电耦合性能。然而，Bi?O?Se在压电催化方面的应用仍处于初步探索阶段，主要受限于其表面反应动力学较慢以及活性位点不足，导致H?O?的生成选择性和活性受限。

为了克服这些限制，本研究提出了一种新的材料设计策略，即通过构建核心-壳结构的Bi?O?Se@Bi-MOF复合材料，将Bi-MOF均匀地包覆在Bi?O?Se纳米片表面。Bi-MOF因其独特的多孔结构，不仅能够建立界面电场，还能提供更多的活性位点，用于氧气的吸附和还原反应。这种异质结构的协同作用显著提升了压电产生的电荷分离效率和表面反应活性。实验结果显示，该优化后的复合材料在超声波（53 kHz，100 W）照射下，于乙醇/水溶液中实现了高达约1965.9 μmol·g?1·h?1的H?O?产率，几乎是原始Bi?O?Se材料的两倍。此外，这种产率远超大多数已报道的压电催化剂，并且表现出良好的稳定性，为机械能驱动的H?O?合成提供了广阔的应用前景。

为了进一步理解这一复合材料的合成过程和性能提升机制，我们系统地研究了Bi?O?Se纳米片的制备方法。Bi?O?Se纳米片是通过水热法合成的，这种方法能够有效控制材料的形貌和结构。在合成过程中，首先制备了溶液A，将1.48克硝酸铋（Bi(NO?)?·5H?O）溶解在30毫升去离子水中，随后加入1.39克柠檬酸，并在30分钟内进行搅拌。溶液B则由2.664克聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解在30毫升去离子水中，接着依次加入0.6克氢氧化钠和0.148克硒脲。随后，将溶液A缓慢滴加到溶液B中，滴加速率为0.25 mL·min?1，并将混合物转移至一个100毫升的特氟龙衬里的反应容器中，进行水热反应。这种方法能够有效地合成出高质量的Bi?O?Se纳米片，为后续的复合材料制备提供了基础。

在材料的结构和形貌表征方面，我们通过X射线衍射（XRD）技术对Bi?O?Se、Bi-MOF及其不同MOF负载比的复合材料（BOS@M-1、BOS@M-2和BOS@M-3）进行了系统研究。XRD图谱表明，Bi?O?Se纳米片可以很好地匹配到一个四方相晶体结构（JCPDS No. 73-1316），并且没有出现任何次要相。所有复合材料样品中均存在Bi?O?Se和Bi-MOF的特征峰，这验证了Bi?O?Se/Bi-MOF复合材料的成功制备。此外，我们还通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对材料的形貌进行了表征，结果显示Bi-MOF层均匀地覆盖在Bi?O?Se纳米片表面，形成了一个稳定的异质结构。

为了进一步评估该复合材料的性能，我们进行了系统的实验测试，包括电化学性能分析和H?O?生成效率的测定。实验结果表明，Bi?O?Se@Bi-MOF复合材料在超声波作用下能够实现高效的H?O?生成，其产率远超原始Bi?O?Se材料和其他已报道的压电催化剂。此外，该材料表现出良好的稳定性，能够在较长时间内保持较高的催化活性。这一结果表明，Bi-MOF层的引入不仅提升了Bi?O?Se纳米片的压电性能，还显著增强了其催化活性，为机械能驱动的H?O?合成提供了一种新的途径。

在材料的机理分析方面，我们发现该复合材料的H?O?生成主要由氧还原反应（ORR）主导。Bi-MOF层的引入使得界面电场更加显著，从而促进了电荷的分离和迁移。同时，Bi-MOF的多孔结构提供了更多的活性位点，用于氧气的吸附和还原反应。这些因素共同作用，使得Bi?O?Se@Bi-MOF复合材料在超声波作用下表现出优异的催化性能。此外，我们还通过原位表征技术，如X射线光电子能谱（XPS）和电化学阻抗谱（EIS），对材料的表面化学状态和电荷转移行为进行了深入研究。这些分析结果进一步验证了Bi-MOF层在提升Bi?O?Se纳米片催化性能方面的重要作用。

为了进一步推动这一技术的发展，我们还对Bi?O?Se@Bi-MOF复合材料的性能进行了优化研究。通过调整Bi-MOF的负载比和合成条件，我们发现当Bi-MOF的负载比达到一定范围时，能够实现最佳的H?O?生成效率。此外，我们还研究了不同溶剂对H?O?生成效率的影响，发现乙醇溶液能够显著提升催化活性，这可能与乙醇分子在界面处的吸附行为有关。这些优化策略不仅提高了H?O?的生成效率，还增强了材料的稳定性，为机械能驱动的H?O?合成提供了更加可行的解决方案。

在实际应用方面，该复合材料表现出良好的环境适应性和工程可扩展性。由于其能够在常温常压下实现高效的H?O?生成，且不需要额外的能源输入，因此具有较高的应用潜力。此外，该材料的制备过程相对简单，能够通过水热法实现规模化生产，这为未来在环境治理、能源转换和生物医学工程等领域的应用提供了可能性。例如，在水处理领域，H?O?可以作为高效的氧化剂，用于降解有机污染物和杀灭有害微生物；在能源转换领域，H?O?可以作为潜在的能量载体，用于燃料电池和储能系统；在生物医学工程领域，H?O?可以用于抗菌、抗病毒和细胞治疗等应用。

为了进一步验证这一材料的性能，我们还进行了长期稳定性测试，结果表明Bi?O?Se@Bi-MOF复合材料在超声波作用下能够保持较高的催化活性，即使在长时间的实验条件下，其H?O?生成效率仍然保持稳定。这一结果表明，该材料不仅具有优异的催化性能，还具有良好的耐久性，能够满足实际应用的需求。此外，我们还研究了该材料在不同pH值和温度条件下的催化性能，发现其在中性pH和常温条件下表现出最佳的催化活性，这为未来在实际环境中的应用提供了理论依据。

在材料的合成和应用过程中，我们还发现了一些值得注意的问题。例如，Bi-MOF的负载比对H?O?生成效率的影响较为复杂，需要在实验中进行精确的调控。此外，Bi-MOF的多孔结构可能会导致材料在水中的分散性较差，影响其实际应用效果。因此，未来的研究需要进一步优化Bi-MOF的负载比和结构设计，以提高材料的分散性和稳定性。此外，我们还发现该材料在超声波作用下的反应效率较高，但其对超声波频率和强度的响应也较为敏感，需要在实际应用中进行精确的控制。

综上所述，本研究提出了一种基于二维压电材料的复合压电催化剂，通过将Bi-MOF均匀地包覆在Bi?O?Se纳米片表面，实现了高效的H?O?生成。该材料不仅具有优异的压电性能和催化活性，还表现出良好的稳定性，为机械能驱动的H?O?合成提供了一种新的解决方案。未来的研究可以进一步优化该材料的结构和性能，以提高其在实际应用中的效率和可行性。此外，该材料的合成方法也为其他二维压电材料的复合化提供了参考，有助于推动压电催化技术在更多领域的应用。