通过压电增强电荷转移提高 Bi12TiO20/BaTiO3 异质结复合材料的光催化活性

《Applied Surface Science》：Enhanced photocatalytic activity of Bi 12TiO 20/BaTiO 3 heterojunction composites via piezoelectric-enhanced charge transfer

　　

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  首次采用无需表面活性剂/模板的简单一步溶剂热法合成了具有优异催化活性的可见光响应 Bi₁₂TiO₂₀/BaTiO₃ 异质结催化剂。
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  揭示了 Bi₁₂TiO₂₀/BaTiO₃ 原位合成的形成过程。
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  揭示了 Bi₁₂TiO₂₀/BaTiO₃ 的压电增强光催化机制。
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  Bi₁₂TiO₂₀（可见光响应）与 BaTiO₃（高压电响应）的集成，为设计具有高度应用潜力的全天候环境修复材料提供了新策略。

引言

有机污染物广泛分布于水体中，已成为环境修复领域亟须解决的棘手问题，因为这类污染物毒性高且难以降解。传统处理技术如物理吸附和化学氧化存在显著缺陷，包括二次污染和能耗高，难以满足可持续环境治理的需求[1]。基于半导体的光催化技术可在温和条件下将太阳能转化为化学能，从而实现有机污染物的绿色降解，已成为环境修复领域的研究热点之一[2]。然而，受限于传统半导体的结构，大多数光催化剂一方面无法响应可见光，对太阳能的利用效率普遍较低（不足5%）；另一方面，光生电子-空穴对容易发生复合，导致电荷利用效率低，难以表现出高催化活性[3]。因此，开发具有可见光响应能力的高活性催化剂是实现高效污染物处理的关键途径。构建异质结可以有效改变载流子的迁移路径，是提高光生电子-空穴对分离效率的良好手段。例如，通过化学沉淀和水热处理的二步法制备的 NiWO₄/In₂S₃ 复合异质结催化剂有效提高了光生载流子的分离效率，并在可见光下表现出优异的催化活性[4]。

光生载流子的分离效率是影响催化活性的关键因素。压电材料在受到机械力作用时可建立内建电场，从而进一步调节光生载流子的迁移行为并提高分离效率，为持续提升催化效率提供了一种新途径。此外，高压电常数有利于建立高强度的压电电场，为光生载流子的迁移提供更为充足的驱动力[5]。因此，构建具有可见光响应能力的压电-光催化剂在发挥优异的环境适应性和展现全天候环境修复能力方面具有重要作用。BaTiO₃ 具有高压电系数、合成方法简单且原料来源广泛，是构建高活性压电-光催化剂的首选基底之一[6]。作为典型的铋基材料，Bi₁₂TiO₂₀ 具有出色的化学稳定性和抗光腐蚀稳定性，不含剧毒重金属元素，无重金属浸出风险，可在水体中长时间稳定安全地运行。此外，其较窄的带隙（约2.4 eV）赋予其可见光响应能力，相较于其他铋基材料，其作为商用光催化剂的潜力更佳[7]。基于此，构建 Bi₁₂TiO₂₀/BaTiO₃ 异质结催化剂，利用 BaTiO₃ 建立的内建电场驱动光生载流子分离，实现通过压电效应增强光催化性能并获得高效压电-光催化降解效果，对于设计和合成具有高应用潜力的商用催化剂具有重要意义。

本研究采用简单的单步溶剂热法构建了 Bi₁₂TiO₂₀/BaTiO₃ 异质结催化剂。研究了在光照、超声以及光照-超声联合作用等条件下罗丹明B（RhB）的降解行为，并结合有限元分析与内建电场作用下光生电子和空穴的迁移行为，深入解析了压电增强光催化过程。

章节摘要

材料合成

在典型合成中，将1 mmol BaCl₂ 溶于50 mL去离子水中，磁力搅拌30 min，得到澄清溶液。分别将1 mmol Bi₄Ti₃O₁₂ 粉末分散于50 mL KOH溶液（0、3、6、9、12或15 mol·L^-1）中，超声处理30 min。随后，在持续搅拌下将 BaCl₂ 溶液逐滴加入 Bi₄Ti₃O₁₂ 悬浮液中。30 min后，将混合物转入100 mL特氟龙内衬的不锈钢高压釜中，在220 °C下加热24

微观形貌

在液相反应体系中，KOH具有优异的刻蚀效果以及剥离晶体层间的作用。为了了解不同KOH浓度对所得产物性能的影响，图2展示了未加入KOH及在不同KOH浓度下所得产物的微观形貌。可以清楚地看到，KOH浓度对产物形貌有显著影响。显然，当未引入KOH时，

结论

通过一步溶剂热法合成了 Bi₁₂TiO₂₀/BaTiO₃ 异质结催化剂。当KOH浓度为12 mol·L^-1 时，依次经历了“剪切破坏-层间交换-取代反应-晶体生长”过程。Bi₁₂TiO₂₀/BaTiO₃ 异质结催化剂在光-超声联合激发下实现了较高的RhB降解效率。在单独光照及光-超声联合激发条件下，RhB降解效率

CRediT作者贡献声明

胡智文：写作-审稿与编辑、写作-原稿撰写、方法论、经费获取、数据整理。周嘉炎：验证、调查研究。程志鹏：软件。李世卓：可视化、调查研究。王普辉：可视化、验证。杨玉龙：经费获取。包齐富：资源、项目管理。董卫霞：写作-审稿与编辑、资源、经费获取。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知可能影响本文所述工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到以下项目的支持：国家工程研究中心开放基金项目（编号：GCZX2505）、景德镇市科技计划项目（编号：2025GY002）、江西省自然科学基金（编号：20252BAC200289、20242BAB25319、2023ACB204017）、江西省重点研发计划（编号：20252BCE310043）以及国家自然科学基金（编号：52660007）。

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