综述：压电催化机理、改性策略及最新进展综述

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A review of the mechanism, modification strategies and recent advances of piezocatalysis

　　

摘要

从能源战略、生态保护和产业发展的角度来看，压电催化技术的发展具有重要的实用价值和长远意义。作为一种新兴的催化技术，压电催化利用环境中广泛存在的水流、声波振动和机械挤压等普遍存在的环境机械能作为能源输入，摆脱了对传统化石能源的依赖，实现了低能耗的绿色低碳发展。其催化过程依赖压电极化效应驱动电荷分离和反应，无需额外化学添加剂，可有效避免传统催化技术的二次污染问题。然而，纯压电材料难以平衡高压电性能和催化活性，这仍然是目前的关键挑战。增强压电性会降低电荷传输效率或减少活性位点，而优化催化活性则会破坏晶体对称性并削弱极化场强度。本文首先阐明了压电催化的基本概念、反应机制和典型机械能。然后分析了影响压电催化活性的因素。最后，系统阐述了压电催化技术面临的挑战，并提出了未来的发展方向。

引言

工业技术的快速发展导致了日益严重的水环境污染，废水中的污染物通过食物链富集放大了对人类的危害，并影响了水资源的利用 [1], [2]。面对这些严峻的水污染和水资源短缺挑战，研究人员探索了多种污染物去除技术。虽然传统的水处理技术取得了一定成效，但在处理废水中复杂多样的污染物方面仍存在局限性 [3]。例如，光催化和电化学氧化等主流技术虽然去除效率高，但依赖光照和化学试剂等外部条件 [4], [5]。这种依赖性增加了设备投资、运营成本，并加大了后续处理的负担。因此，有必要开发一种在温和条件下运行、可用且在黑暗中表现出催化活性的技术。

压电催化是一种利用机械力产生晶格变形从而形成内建电场，驱动电荷转移以促进催化过程的绿色策略 [6], [7], [8]。由于其反应条件温和、催化活性高以及在应用场景和操作条件上更具灵活性等优势，受到了研究人员的青睐。压电材料仅通过机械能即可激发催化反应产生活性氧物种（主要是·O₂^-和·OH），可有效地用于水解制氢、废水中污染物降解和杀菌等各个领域，极大地降低了技术应用的限制门槛 [9], [10], [11]。此外，机械振动下压电效应诱导的电场不仅能提高电荷能量并延长电子寿命，还能有效促进载流子的分离。然而，其发展仍面临一些问题。一些压电催化材料存在活性低、对应力敏感性弱以及实际应用成本高等问题。

本文主要综述了压电催化系统的作用机制、常用机械力的分类、影响压电催化活性的因素及改进策略。系统总结了能带理论、屏蔽电荷效应和位移电流理论三种机制的优缺点，深入分析了压电电势、催化剂形貌和缺陷工程对压电催化活性的影响。全面讨论了其在环境和能源领域的不同应用。最后，详细总结了压电催化技术目前面临的挑战并提出了可能的解决方案，为推动压电催化技术的发展提供了有价值的见解。

章节摘要

压电效应与压电催化剂

压电材料具有非中心对称晶体结构，在受到机械应力时会发生变形并感应出电场，这一特性定义为压电效应 [12]。该效应实现了机械能与电能的双向转换。由于晶体材料的各向异性，内部正负电荷中心在机械应力下发生相对位移，从而形成宏观净电偶极矩。

机械能的分类

在压电催化过程中，机械力是触发材料产生电势以促进电子转移并驱动催化反应的核心外部能源。由于频率、强度和能量转移效率的差异，施加的机械力直接影响压电材料的电荷产生效率、载流子分离行为和最终催化活性。在以下章节中，将讨论机械力

压电电势

作为压电催化过程的核心调控机制，压电电势的本质是通过机械力在材料内部区域感应出内建电场，即对应于压电电势 [64], [65]。压电力显微镜（PFM）是量化压电响应力的工具，被认为是评估压电性能的主要和最常用方法。压电电势的大小

pH 值和共存污染物对实时分析的影响

在催化反应的实时光谱监测中，pH 值和共存污染物是两个主要干扰因素。pH 值的变化会改变表面电荷性质和目标阴离子染料的化学形态，这不仅影响污染物的吸附行为，还会导致紫外 - 可见光谱基线漂移，从而导致实时定量结果不准确。在实际水环境中，通常存在各种共存污染物。某些物质具有

实验室超声处理向水处理工业化方向的局限性

尽管超声耦合催化技术在实验室小系统中对有机污染物表现出优异的降解和去除效果，但在从实验室规模的批量超声处理向实际水处理项目的工业规模应用扩展方面，仍存在许多固有的局限性和实际瓶颈 [107], [108]。首先，实验室研究大多使用纯水配制单一模拟废水，水基质简单且

总结与展望

本综述系统总结了压电催化技术在环境和能源领域的研究进展，重点关注压电效应、压电催化反应机制、影响催化活性的因素和性能改进策略等核心内容。自 2010 年以来，压电催化剂的相关研究受到了广泛关注并取得了进一步进展，但仍有许多关键问题亟待解决。例如，压电

CRediT 作者贡献声明

程英: 验证，调查，数据整理。 程越: 写作 – 审查与编辑，写作 – 原始草稿，形式分析，数据整理。 郝伟昌: 监督，方法论，构思。 李萨: 可视化，调查，形式分析。 郭瑞: 写作 – 审查与编辑，资金获取，构思。

利益冲突声明

作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，这些可能看似影响了本论文中报告的工作。

致谢

本工作得到了河北省自然科学基金（B2025501005）、秦皇岛市重点研发计划（202302B013）的资助。

程英 | 程越 | 李萨 | 郝伟昌 | 郭瑞

中国沈阳 110819，东北大学材料科学与工程学院