《Journal of Photochemistry and Photobiology A: Chemistry》：Piezoelectric polarization field driven charge separation in CuWO4/Bi2SiO5 heterostructure for efficient piezo-photocatalytic hydrogen evolution
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•在CWO与BSO之间成功构建了II型异质结，从而提升了载流子分离效率。•含9% CWO的BSO复合材料具有最高的压电光催化制氢效率，约为纯BSO的11倍。•BSO的压电性显著提升了CWO/BSO复合体系中的载流子分离效率和催化效率。•CWO/BSO压电光催化剂在长时间反应中仍保
• 在CWO与BSO之间成功构建了II型异质结，从而提升了载流子分离效率。
• 含9% CWO的BSO复合材料具有最高的压电光催化制氢效率，约为纯BSO的11倍。
• BSO的压电性显著提升了CWO/BSO复合体系中的载流子分离效率和催化效率。
• CWO/BSO压电光催化剂在长时间反应中仍保持出色的可重复使用性和结构稳定性。
引言 作为高效清洁的能源载体，氢能可以通过利用太阳能、风能等可再生能源进行水电解获得，从而形成可持续的能源循环[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]。光催化制氢技术因其高效率以及无污染、环保的特点，被视为理想的制氢方式[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。然而，纯光催化存在一些固有缺陷，比如光生载流子容易重新结合、太阳能利用率低，且在无光条件下无法工作[16]、[17]、[18]。而压电材料在受到外部应力作用时会产生正负电荷和应变，进而改变电子结构，大幅提升载流子的分离效率[19]、[20]、[21]、[22]、[23]、[24]。因此，将光催化技术与压力催化技术相结合，能够显著提升水分解的效率和产率[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]。
作为压电光催化剂，Bi2 SiO5 的核心优势在于其压电性能，这种性能能够在材料发生机械变形时产生压电场，从而帮助高效分离光生电子-空穴对[32]、[33]、[34]。Shi等人首次成功合成了Bi2 SiO5 压电光催化剂，并证实了它出色的压电性能[35]。该材料的压电系数高达250?pC/N。理论计算还表明，其压电效应能够有效调控能带结构，促进载流子分离。不过，由于该材料具有较宽的能隙，导致其对可见光的吸收效率较低，而可见光占总太阳光谱能量的40%以上。此外，其固有的载流子重新结合速率较高，这也限制了整体的催化活性。有研究显示，Bi2 SiO5 在污染物降解领域具有光催化活性，但目前尚未有关于其在光催化或压电光催化制氢方面性能的报道[36]、[37]、[38]。
合理构建异质结有助于加速电子转移并扩展光吸收范围，因此被认为是一种简单有效的策略[39]、[40]、[41]、[42]、[43]、[44]、[45]。钨酸铜（CuWO4 ）作为一种典型的间接n型半导体，近年来作为极具潜力的光催化剂受到了越来越多的关注。作为一种高性能光催化剂，它具有诸多优点，比如化学稳定性强、光电转换效率高。值得注意的是，它的能隙范围在2.2?eV到2.4?eV之间，足以吸收并有效利用可见光[46]、[47]、[48]。Purashri Basyach等人通过化学沉淀法将Ni2+ 引入到S型镍掺杂的CuWO4 纳米晶/g-C3 N4 异质结中，成功制备出了0.2Ni-CuWO4 /g-C3 N4 异质结复合光催化剂。在该催化剂作用下，可见光条件下的析氢速率大幅提升，可达1980?mmol/h/g，其量子产率在420?nm波长处为6.49%[49]。
因此，研究人员首次合成了CuWO4 /Bi2 SiO5 （CWO/BSO）异质结构，并将其应用于压电光催化析氢反应中。实验结果表明，含9% CWO的BSO复合催化剂的析氢速率可达3314.15?μmol/g/h，这一数值高于纯Bi2 SiO5 的析氢速率（299.73?μmol/g/h）。析氢性能的提升主要归因于CWO/BSO的压电特性以及II型异质结的形成，这些因素既加快了载流子的分离速度，又提升了BSO的光吸收能力。总而言之，引入CuWO4 并与Bi2 SiO5 形成II型异质结，再加上压电效应的协同作用，有效地促进了载流子分离并增强了光吸收能力，进而大幅提升了压电光催化析氢性能。
章节摘要 材料 九水合偏硅酸钠（Na2 SiO3 ·9H2 O，分析级，纯度99%）、五水合硝酸铋（Bi(NO3 )3 ·5H2 O，分析级，纯度99%）、钨酸钠（Na2 WO4 ，分析级，纯度99%）、硝酸铜（Cu(NO3 )2 ，分析级，纯度99%）、氢氧化钠（NaOH，分析级，纯度96%）。
Bi2 SiO5 的合成 将3?mM浓度的Na2 SiO3 ·9H2 O溶液和6?mM浓度的Bi(NO3 )3 ·5H2 O溶液分别溶解在20?mL水中和50?mL乙醇中。混合均匀后，用2?M浓度的NaOH将溶液的pH值调节至约11，随后将溶液在180?°C下水热处理12小时。处理完成后，对产物进行洗涤并离心分离。
结构与形貌 通过X射线衍射技术分析了该催化剂的晶体结构与质量。图2a显示，Bi2 SiO5 的衍射峰与标准卡片（PDF编号36–0287）完全吻合。纯CuWO4 的XRD图谱也与对应的标准卡片（PDF编号34–1297）十分匹配。图2b为不同比例的CWO/BSO组合的XRD图谱，其衍射峰与BSO的标准卡片完全对应。此外，从图2b中还可以看出，不存在CuWO4 的衍射峰。
结论 综上所述，研究人员通过一种绿色且稳定的浸渍方法成功构建了CWO/BSO II型异质结，并首次将该异质结应用于光催化、压电催化以及压电光催化析氢反应中。在光照与超声波共同作用的情况下，含9% CWO的BSO复合催化剂的析氢速率高达3314.15?μmol/g/h，这一数值远远高于仅采用光催化或仅采用压电催化时的析氢速率。
作者贡献说明 Yue Li： 负责论文的初稿撰写、验证工作、方法设计以及实验研究。Nan Li： 负责论文的审阅与编辑工作以及方法部分的内容撰写。ALabdulsalam Mohammed Nasser： 参与论文的初稿撰写、验证工作、方法设计以及实验研究。Can Zhao： 负责验证工作以及实验研究。Shuqian Sun： 负责验证工作以及方法部分的内容撰写。Jiangquan Ma： 负责论文的审阅与编辑工作以及方法部分的内容撰写。
利益冲突声明 所有作者声明自己不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关系。
致谢 作者们衷心感谢常州大学、先进催化与绿色制造协同创新中心，以及
江苏省自然科学基金 （项目编号BK20220630）和
江苏省研究生科研实践创新计划 （项目编号SJCX25_1655）提供的支持。同时，作者们还要感谢eceshi公司（
www.eceshi.com ）在TEM和XPS分析方面给予的帮助。
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