综述：水处理中的压电催化：机理、材料设计及应用进展

《CHINESE JOURNAL OF STRUCTURAL CHEMISTRY》：Piezoelectric Catalysis in Water Treatment: Mechanism, Material Design and Application Progress

　　

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  本文综述了传统及新兴压电材料的结构、压电性能以及在环境催化中的应用。
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  明确了压电催化的机制及调控策略。
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  详细探讨了压电催化所依赖的实际机械能量来源。
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  介绍了压电催化在有机污染物降解、重金属还原以及细菌消毒方面的优异性能。
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  提出了压电催化当前面临的挑战以及未来的研究方向。

引言

水污染以及清洁水资源短缺等全球性问题正日益严重[1]。开发能够利用太阳能、机械能等清洁能源实现环境修复与能量转换的高效催化技术已成为研究热点[2]。其中，光催化技术可以利用太阳能驱动氧化还原反应，在污染物降解、水分解制氢以及二氧化碳还原等领域具有巨大潜力[3]、[4]。在此背景下，基于压电效应将机械能转化为化学能的新型催化技术——压电催化逐渐引起了人们的关注[5]。2006年，王等人首次报道了基于ZnO纳米线的压电纳米发电机，为机械能的收集与转化提供了新思路[6]。当压电材料在超声、搅拌或弯曲等机械振动作用下发生形变时，会产生压电势，并使表面能带发生改变，从而促进电荷分离并驱动氧化还原反应，无需光照或外部电压即可实现催化过程[7]、[8]、[9]。压电催化可以利用环境中普遍存在的机械能（如水流、风、噪音以及人类活动产生的能量），在光照不足的环境（如深海、夜间或雨天）中具有独特的应用优势。

压电催化的物理基础源于压电效应。当非中心对称晶体结构的压电材料（如BaTiO₃、ZnO、MoS₂和PVDF）受到外部机械应力作用时，其晶格会发生变形，导致正负电荷中心相对位移，进而产生宏观压电极化及内部电场（压电势），从而使材料能够将机械能转化为化学能[10]、[11]。在催化过程中，这种内部电场可以促使半导体压电材料中的电子-空穴对分离，并引导它们向表面移动，在那里与吸附的H₂O和O₂发生反应，生成·OH和·O₂^-等活性氧物种，进而实现污染物的氧化降解；而对于绝缘型压电材料，极化产生的表面束缚电荷可以通过静电作用吸附并活化反应物分子，直接引发氧化还原反应[12]、[13]。为了进一步提升其能量转换效率与反应动力学性能，相关研究主要聚焦于优化材料本身的固有性质以及系统耦合效果，比如通过缺陷工程、元素掺杂、异质结构构建以及微观结构调控来增强压电响应和界面电荷转移（见图1），同时还将压电催化与过硫酸盐活化、芬顿反应或光催化等高级氧化工艺相结合，生成更多活性自由基以实现协同效应，从而显著提高污染物的降解效率[14]、[15]。

近年来，关于压电催化的一系列高质量综述相继出现，为该领域的进一步发展奠定了坚实基础。孟等人系统总结了压电催化的基本原理、压电/铁电结构设计策略及其与催化反应之间的关联，强调了通过晶体结构工程、畴结构控制来放大压电极化，以及其与表面化学过程之间的联系[16]。江等人系统总结了不同压电材料（如BaTiO₃、ZnO、铋基氧化物等）在降解有机染料、抗生素、重金属以及进行杀菌消毒方面的性能，并对比分析了超声和搅拌等不同的机械驱动方式，以及与高级氧化工艺耦合的策略[17]。荆等人系统梳理了压电光催化在能源与环境领域的应用，包括水分解制氢、二氧化碳还原以及难处理污染物的治理，重点研究了压电势在光生载流子分离与迁移中的作用。他们还从材料维度（如铋基、BaTiO₃基、ZnO基等）和结构维度（如同质/异质结、核壳结构、二维/一维耦合等）出发，总结了相应的设计策略[18]。张等人则重点研究了基于BaTiO₃的压电催化体系的合成方法、活性提升策略及应用场景，以及铋基材料在压电催化和压电光催化领域的结构-性能关系与发展趋势[19]。齐等人试图从绿色化学和价值化学合成等新视角对压电（光）催化进行综述，探讨了在价值化学合成、制氢等方面的机遇与挑战[20]。目前，关于用于水处理的压电催化剂的机理、驱动类型、材料分类与优化以及应用等方面的全面系统综述还较少，其物理化学性质与性能之间的关系也仍有待深入探索。

本综述旨在系统构建压电催化在水处理中应用的认知框架。首先，深入阐述压电催化的基本机理，明确由压电效应驱动的电荷分离和界面反应的多路径物理化学本质。然后，重点介绍高性能压电催化剂的合理设计策略，探讨从晶体结构调控、缺陷工程以及异质结构构建等多个尺度上优化材料性能的原理与方法。接着，全面总结该技术在难处理有机化合物矿化、病原体灭活以及水中重金属价态调控等水处理场景中的应用进展。最后，结合当前实际情况，分析该技术在实际应用中在机理理解、材料长期稳定性、系统能量效率以及环境适应性等方面面临的关键瓶颈，并对未来研究方向提出展望，如开发原位表征技术、研制环保型高强度压电材料、设计用于适应低频机械能收集的模块化反应器，以及建立标准化的性能评价体系。

章节要点

压电催化的基本原理

在压电催化体系中，外力作用会导致压电材料发生晶格变形，打破原有的内部电荷分布平衡，使得正负电荷中心发生相对位移[27]、[28]。这会在晶体内部形成一致的极化电偶极矩，大量电偶极子在宏观尺度上的协同叠加便会产生压电效应

压电催化剂的驱动方式

压电催化过程的推进依赖于外部机械能量对压电材料的有效激发，常见的激发方式包括超声、气泡、水涡流以及球磨驱动。其中，超声因其能够提供均匀的高频机械振动而被广泛使用，而自然界中的可持续机械能源（如水流、雨滴、风振或人类活动产生的能量）也同样经常被加以利用。

压电催化材料及改性策略

近年来，压电催化材料体系已从氧化锌、铌酸锂等传统材料扩展到钙钛矿、铋基材料、金属硫属化合物以及聚合物等多种体系。用于水处理的压电催化剂应具备非中心对称结构，其能带排列需与目标反应的电极电势相匹配（如·OH/H₂O、·O₂^-/O₂），同时还应具有较高的比表面积以提供充足的活性位点，以及良好的载流子传输能力

压电催化在水处理中的应用

作为一种高效的先进氧化工艺，压电催化的机理主要源于压电材料在机械应变作用下产生的压电势，以及由此产生的自由电荷与屏蔽电荷。这些电荷具有氧化还原能力，压电势还能调节材料的能带结构与电荷传输行为，从而促使H₂O/O₂等分子发生反应，生成高活性的自由基

结论与展望

压电催化是一种新型的水处理技术，它可以直接将环境中的机械能（如水流、超声和振动）转化为化学能，无需依赖传统的外部能源。该技术具有能量来源广泛、反应条件温和，且易于与光催化、电解以及芬顿反应等工艺结合等优点，正迅速成为构建分布式、低碳型水处理系统的前沿技术

CRediT作者贡献说明

杨永生：撰写——综述与编辑，资金获取。柯玉洁：形式分析。陈希：形式分析。姚凯：方法学。刘洪军：指导监督。关月月：撰写——初稿，可视化处理，验证，形式分析。马建民：撰写——综述与编辑。孙佳硕：形式分析。李阳：形式分析。胡振辉：软件相关工作。魏恒山：指导监督

数据可用性

在本研究中没有生成或分析任何数据集。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知利益冲突或个人关系。

致谢

本研究得到了武汉纺织大学的支持。我们衷心感谢武汉纺织大学提供的经费资助，资助项目编号为：253084、242105、K24062和K24080。

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