优化压电响应和能带结构，以协同提升(Ba0.85Ca0.15)(Zr0.1Ti0.9)O3陶瓷粉末的压电催化活性

《Applied Surface Science》：Optimizing piezoresponse and band structure to synergistically enhance the piezocatalytic activity of (Ba 0.85Ca 0.15)(Zr 0.1Ti 0.9)O 3 ceramic powders

　　

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  BiFeO₃ 提高了 BCZT 的压电响应性能。
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  BFO 优化了 BCZT 的能带结构。
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  高的压电响应性能和适宜的能带结构促进了压电催化作用的效率。
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  BCZT–0.5BFO 在超声波振动下对罗丹明 B (RhB) 的降解效率达到了 77.3%。

引言

快速工业化加剧了环境污染，尤其是由有机染料引起的废水污染 [1]。传统的物理和化学处理方法效果有限，且可能导致二次污染 [2]。因此，包括光催化、电催化和压电催化在内的前沿催化技术受到了研究界的越来越多的关注。然而，光催化和电催化受限于对光照和外部电能的依赖，这限制了它们的实际应用 [3][4]。相比之下，压电催化利用机械振动在压电材料内部产生电场，促进电荷分离和转移，从而形成能够有效降解废水中的有机染料的活性自由基 [5][6]。由于机械能在自然和工业环境中普遍存在，压电催化在可持续废水处理方面具有巨大潜力。

锆钛酸铅因其高压电系数而广泛应用于各个领域 [7]。然而，其含铅量对人类健康和环境构成严重威胁，限制了其在环境修复（尤其是废水处理）中的实际应用 [8]。因此，开发环保型压电催化剂已成为重要的研究方向。近年来，已经探索了几种无铅压电材料，如 NaNbO₃ [9]、(K, Na)NbO₃ [10]、Bi₄Ti₃O₁₂ [3]、BiFeO₃ [4][6]、MoS₂ [11] 和 SrTiO₃ [12] 用于压电催化。其中，(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.1Ti_0.9)O₃ (BCZT) 因其优异的化学稳定性、强压电性能、制备简单且无毒而被认为是有前景的无铅压电材料 [13]。目前，对基于 BCZT 的压电陶瓷的改性主要通过离子置换来实现。例如，BCZT 通过 Ni、Zn 和 Fe 离子共置换进行改性 [14]；BCZT–BFO 通过 Cu 离子置换改性 [15]；BCZT 通过 Ce 和 Sb 共掺杂改性 [16]。然而，离子掺杂对 BCZT 的缺陷化学、压电响应、能带结构和压电催化活性的影响尚不完全清楚。

最近的研究表明，在室温附近构建一个多重极化（MPB）结构可以有效提高压电催化活性 [13]。例如，Sun 等人提出在 KNN 基材料中形成共存的长菱形-正交-四方相结构，从而促进极化旋转并提高压电催化性能 [10]。然而，ABO₃型钙钛矿材料通常具有高载流子传输阻力和宽带隙，这限制了压电催化过程中的氧化还原反应并降低了催化效率 [17]。因此，同时实现高压电势和适宜的能带结构至关重要。铋铁氧体 (BiFeO₃, BFO) 具有约 100 μC/cm² 的高自发极化和约 2.2?eV 的窄带隙 [18][19]。因此，将 BFO 结合到 BCZT 中有望形成新的 MPB 结构，并调节能带结构。此外，BFO 在机械振动下表现出的类似芬顿效应有利于压电催化活性 [20]。本研究采用固相反应方法制备了 (Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.1Ti_0.9)O₃–xBiFeO₃ (BCZT–xBFO) 多晶化合物，并系统研究了其相变、微观形态、压电性能和压电催化性能。在制备的样品中，BCZT–0.5BFO 显示出最强的压电响应、最低的缺陷浓度、最低的电荷传输电阻以及对罗丹明 B (RhB) 的最高降解效率。

章节摘要

样品制备

(Ba_0.85Ca_0.15)(Zr_0.1Ti_0.9)O₃–xBiFeO₃ 陶瓷 (BCZT–xBFO; x = 0.10, 0.20, 0.50, 0.80 mol%) 通过固相烧结法制备。按化学计量比称取 BaCO₃ (99.8%), CaCO₃ (99.5%), ZrO₂ (99.5%), TiO₂ (99.9%), Bi₂O₃ (99.9%) 和 Fe₂O₃ (99.9%)，放入尼龙罐中。经过 4 小时球磨后，混合物在 1150?°C 下煅烧 2 小时，然后单轴压制成圆形坯体。坯体随后在 1400?±?50?°C 下烧结

相组成

先前的研究表明，优异的压电响应往往与高密度的陶瓷微观结构相关 [21]。BCZT-xBFO 陶瓷的体积密度与烧结温度之间的关系表明，对于不同 BiFeO₃ 含量的样品，最大密度范围为 5.40 至 5.46?g/cm³，所有这些密度均在 1400?°C?±?50?°C 的烧结温度下获得（图 1(a)）。这些结果表明，致密的 BCZT–xBFO 陶瓷可以成功制备

结论

总之，通过传统的固相烧结方法成功合成了无铅的 BCZT–xBFO 压电催化剂，同时保持了单一的钙钛矿相。BFO 的引入改变了 BCZT 中的多重极化结构，提高了压电响应性能并优化了带隙。结构分析和介电温度曲线表明 R、T 和 C 相共存，表明晶格结构具有高度不对称性和畸变。XPS 和其他分析方法也证实了这一点

CRediT 作者贡献声明

Runkang Li：撰写 – 审稿与编辑，起草初稿，方法论，数据分析。Yu Zhao：起草初稿，数据分析，数据管理。Xiaohua Zhang：撰写 – 审稿与编辑，起草初稿，指导，资金获取。Pei Zhang：指导，资金获取。Jinyan Zhao：指导，资源保障，方法论。Wei Ren：指导，方法论。Zhenxing Yue：指导，资源保障，方法论。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了 中国自然科学基金（编号：52273315）和 陕西省教育厅（编号：25JC018）的财政支持。

Runkang Li|Yu Zhao|Xiaohua Zhang|Pei Zhang|Jinyan Zhao|Wei Ren|Zhenxing Yue