BiFeO?基材料的压光催化活性：极化驱动电荷动力学、材料工程及面向环境应用的新兴能源

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Piezo-photocatalytic activity of BiFeO 3-based materials: Polarization-driven charge dynamics, materials engineering, and emerging energy for environmental applications

　　

摘要

BiFeO?（BFO）的铁电性和压电性能产生的内建电场可作为外部偏压电位，用于分离载流子。通过引导光生电子和空穴，这种内建压电势能与光照结合时可提高光催化效率。为了展示压电组分如何产生内建偏压以推动载流子到达反应位点并形成活性氧物种，本综述讨论了BFO及BFO基复合材料的压电光催化现象。压电响应和催化活性取决于BFO纳米颗粒、纳米纤维、薄膜和异质结组装体的形貌、结构和界面设计。此外，BFO基压电光催化正在被研究用于环境修复、污染物降解和能量生产。为使该技术更接近实际应用，本综述提出了材料工程、复合结构优化、可扩展合成、中试规模验证以及环境法规等方面的建议。本文总结了当前进展、问题和前景，以鼓励进一步研究，并推动以BFO为核心的压电光催化技术作为实用的废水污染物处理和下一代可持续催化技术。

引言

在过去十年中，来自居民和工业来源的废水数量大幅增加，这对有效处理技术的需求也随之上升[1]。传统污水处理厂（WWTPs）能耗高且是重要的碳排放来源。在全球关注碳中和与可持续发展的背景下，迫切需要生态友好、低碳的处理方案来解决日益突出的生态问题。现代水及废水系统面临的主要问题之一是新兴污染物（EPs）的存在，包括药物、个人护理产品、抗生素、内分泌干扰物和微塑料[2,3]。这些毒物主要通过废水排放，因此在世界各地自然水体中广泛分布[4]。鉴于新兴污染物（EPs）对生态系统和人类健康造成的重大威胁，以及传统污水处理厂（WWTPs）去除效率低下，开发先进处理技术至关重要[5]。图1示意性地展示了主要传统与现代水处理方法，包括混凝、沉淀、膜过滤[6]和氯化[7]等传统及现代水处理方法，这些方法利用物理分离或化学消毒从污水或受污染水中去除特定类型的污染物[8]。尽管这些传统方法应用广泛且有效，但仍存在过度消耗化学品或能源、二次污染、膜污染和有机污染物降解不完全等缺点[9]。另一方面，压电光催化作为一种新的可持续水处理方法，如图1主图所示[10]。该技术利用如BiFeO?纳米颗粒等多功能材料，通过超声或振动方式施加机械刺激，同时暴露于光照下[11]。这种组合产生活性氧物种，可将污染物矿化并转化为如CO?和H?O等无害副产物[12]。压电光催化结合了压电效应和光催化效应，可提供更高的电荷分离、更高的催化效率和自供电运行能力，是高效废水处理与环境净化的下一代潜在应用[13]。

图2提供了比较性的文献计量概述，强调了纳米材料研究在水处理、吸附、催化、传感和膜技术等不同领域的快速增长，从2020年到2026年出版物数量显著增加，随后有所下降，这可能是由于近年数据索引不完整所致。全球对环保清理和能源相关应用的日益关注导致了水处理和催化纳米材料研究的集中。压电光催化作为一种协同结合压电和光催化效应的混合催化方法，正受到越来越多的关注，根据该整体框架的下部面板，预计在2021年后将在该领域发挥更大作用。以BiFeO?（BFO）为基础的系统进一步证实了这一点，其中压电催化、光催化，特别是压电光催化经历了显著增长[14]。这表明了该材料的多样性并引起了研究人员的极大关注。总体而言，这些趋势表明压电光催化是一个动态且前景广阔的纳米材料应用，具有提高电荷分离、增强催化效率的潜力，并为能源和环境应用开辟了新途径，如水电解、自供电催化系统和污染物降解[15]。BiFeO?纳米材料的研究在多铁性材料整体发展中发挥着核心作用。图2(a)显示，关于"纳米材料"及"用于水处理的纳米材料"的出版物数量呈逐步增长趋势。图2b显示了2020年至2026年间，使用关键词"用于吸附的纳米材料"、"用于催化的纳米材料"、"用于传感的纳米材料"和"用于水膜的纳米材料"在Google Scholar上找到的同行评审论文的统计数据。出版物数量逐年增加。类似地，图2c-d显示了2020年至2026年间，使用关键词"压电光催化"找到的同行评审论文的统计数据。随后，使用OriginPro 8.0软件绘制编译数据集，生成了图2中显示的图形趋势，以及"BFO基压电、光催化和压电光催化"的数据。对数据的更深入分析表明，大多数关于BFO基材料的研究集中在其磁性、铁电性、压电性、磁电性和最近的光伏性能上。

人们早就知道半导体光催化是分解污染物和将太阳能转化为化学能的好方法。光催化剂可以利用太阳光子产生电子-空穴对，进而在温和条件下引发氧化还原反应，而无需牺牲剂[16,17]。自从在TiO?电极上取得光电化学分解水的突破性成果以来[18]，光催化已发展成为一个广泛的研究领域，包括废水处理、制氢、CO?还原[19]、固氮[20]和选择性有机转化。尽管在材料工程方面取得了重大进展，但光催化的实际效率仍受限于可见光利用率低、电子-空穴快速复合和表面动力学反应缓慢[21]。为克服这些限制，人们探索了多种外场策略，包括电偏压、等离激元耦合、磁场和应变工程。然而，它们对外部电源和复杂器件架构的依赖限制了大规模应用[11,[22], [23], [24]]。压电催化通过将振动、声波或人体运动产生的机械能转化为驱动表面氧化还原反应的极化电荷，提出了一种替代方案，尽管其效率通常受限于低电荷密度和不连续的载流子产生[25,26]。为解决这些问题，压电光催化结合了机械能和光能，其中压电场增强了电荷分离，抑制了电子-空穴复合，并加速了光催化反应，从而实现了催化性能的协同提升[11,27]。在所报道的压电光催化剂中，BiFeO?（BFO）特别具有前景，因为它在单一材料中同时具有铁电性、压电性、可见光活性和优异化学稳定性[28]。其菱形畸变钙钛矿结构表现出大于50 μC cm?2的大自发极化和2.1–2.4 eV的窄带隙范围，允许在机械刺激下高效吸收可见光并实现极化辅助的电荷分离[[29], [30], [31]]。此外，其可切换的铁电畴和可调电子结构为提高催化性能提供了良好机会[32]。这些独特性质使BFO基钙钛矿成为环境修复、能量转换和其他多功能应用中的有吸引力材料，如图3所示。

近年来，如前所述，BFO基压电光催化纳米复合材料或纳米颗粒数量迅速增长，如图2所示。这些系统包括掺杂组合物[34]、缺陷工程结构[35]、异质结[[11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18], [19], [20], [21], [22], [23], [24], [25], [26], [27], [28], [29], [30], [31], [32], [33], [34], [35], [36]]和碳基杂化物[5,37]。这些进展已支持了抗生素、染料和持久性有机污染物的降解，同时也实现了CO?还原、水电解和自供电催化器件的新应用[38]。此外，为了建立极化强度与反应动力学之间的定量联系，以推动BFO基压电光催化从实验室走向实际应用，必须解决这些问题[11,39]。

本综述对压电光催化进行了批判性评估，特别关注BiFeO?及BFO基材料。据我们所知，本综述提供了最全面的BFO基压电光催化材料概述，整合了材料设计、机理见解和先进表征技术，以建立对极化辅助电荷分离和催化性能的更深入理解。最后，指出了重要问题和未来研究方向，以帮助创造下一代BFO基压电光催化系统。

章节片段

BiFeO?中的铁电性、压电性和本征极化

BiFeO?（BFO）是一种独特的压电光催化材料，因为它在单一相氧化物中同时具有室温铁电性、强压电耦合和本征半导体光活性。BFO结晶于菱形畸变钙钛矿结构（空间群R3c），不具有反演对称性。这意味着它具有大自发极化，因为Bi3?和Fe3?阳离子相对于氧亚晶格发生位移[40,41]。

BFO的自发极化

BiFeO?：压电光催化的独特多功能平台

BiFeO?（BFO）具有出色的压电光催化性能，因为它是极少数能同时表现出压电性、铁电性和可见光半导体行为的晶体氧化物之一[82,83]。许多铁电氧化物或压电半导体需要异质结构才能作为光活性材料工作。然而，纯BFO已经同时满足这两个需求：它可以吸收光子[84]并产生极化[48]。因此，BFO已成为……

BFO基压电光催化的应用

BiFeO?（BFO）因其独特的室温多铁性而在传感、执行器、储能、能量转换和光电器件等方面获得了广泛关注。最近，其耦合的铁电性、压电性和可见光响应性质使其成为通过压电催化和压电光催化进行环境修复的有前景材料。本节中，压电催化是……

直接探测铁电BFO的极化和畴结构

压电响应力显微镜（PFM）和开尔文探针力显微镜（KPFM）被广泛使用，因为它们能在纳米尺度直接探测极化行为和相关表面电位变化。PFM可映射铁电畴、畴壁分布和压电响应，证实掺杂或纳米化后铁电极化得以保留。由于内建极化场决定了光生载流子的分离和迁移，……

局限及其解决方案

近年来，压电光催化作为环境修复、能量转换及其他各种领域的一项创新技术崭露头角，但也存在一些缺点和面临的挑战。在大多数压电光催化过程中，超声波振动被用于产生压电势，需要探索其他机械能来源，如热应力、空气摩擦和其他能源。其次，在大多数情况下，超声波振动……

未来与展望

BiFeO?（BFO）是一种属于铋铁氧体系族的钙钛矿型半导体，由于其独特的晶体结构和电学构型，在室温下具有出色的多铁性。除了其在可见光照射下众所周知的光催化活性外，BiFeO?还具有本征铁电性和压电性，使其成为压电光催化应用中的有趣材料。压电极化的共存和……

结论

总之，铁电、反铁磁和压电特性在环境温度的共存使BFO成为一种有吸引力的多铁材料。其出色的电学、光学和磁电性能，特别是在BFO-RGO等碳基纳米复合材料中，赋予了有效的压电光催化活性，从而实现了对罗丹明B等有机污染物的快速彻底破坏。这些结果证明了掺杂BFO纳米复合材料的巨大……

CRediT作者贡献声明

Anjali Varshney：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，验证，构思。Khushi Kaushik：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，构思。Sunil Chauhan：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，可视化，构思，监督。J. Guerrero Sanchez：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。O. Raymond Herrera：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿。Subhash Sharma：撰写——审阅与编辑，

生成式AI及AI辅助技术使用声明

在本工作的准备过程中，作者使用了ChatGPT来帮助生成图23。

在使用该工具/服务后，作者根据需要审核和编辑了图23，并对出版内容承担责任。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争经济利益或个人关系，这些关系可能影响本文所报告的工作。

致谢

作者感谢印度大诺伊达的沙达大学为本研究提供的支持。S.S. 感谢通过“研究员致墨西哥”计划获得CONACYT计划第352-2018号项目的支持。

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