东南大学徐春祥教授课题组：ZnO纳米棒/PVDF-HFP柔性薄膜在水流波动下诱导的双压电效应在光催化降解有机污染物中的应用
东南大学徐春祥教授课题组：ZnO纳米棒/PVDF-HFP柔性薄膜在水流波动下诱导的双压电效应在光催化降解有机污染物中的应用
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以下文章来源于Environmental Advances ，作者徐春祥教授课题组
环境催化前沿进展
近日，东南大学徐春祥教授课题组在Chemical Engineering Journal（影响因子13.273）上发表了题为“Bi-piezoelectric effect assisted ZnO nanorods/PVDF-HFP spongy photocatalyst for enhanced performance on degrading organic pollutant”的研究论文（DOI:10.1016/j.cej.2022.135787），探究了具有双压电性质的ZnO纳米棒/PVDF-HFP复合海绵状薄膜可以将水流波动转换为压电势，从而促进ZnO纳米棒中光生载流子的分离与输运的过程，并将此效应应用于光催化有机污染物的降解。在高速水流扰动下，ZnO纳米棒/PVDF-HFP复合薄膜光催化降解甲基橙的反应速率常数提高了近三倍。本工作将太阳能和水能结合起来利用，为光催化技术在实际生成中的应用提供了新思路。
为了提高光催化剂的光生载流子的分离和传输效率，人们已经开发出多种策略，如构建异质结，设计表面缺陷等。此外，一些非对称中心晶体（如ZnO、BaTiO 3 、PZT等）具有压电性质，在晶体受到形变作用后引发内部极化，即在材料内部形成沿应力方向分布的压电场。利用这种压电场，可以促进载流子从材料体相向表面移动的过程。本文设计了具有双压电效应的ZnO纳米棒/PVDF-HFP复合海绵状薄膜用于光催化降解水中的有机污染物。其中，ZnO纳米棒本身具有较高的光催化活性，同时具有显著的压电性能；而多孔PVDF-HFP有利于ZnO的负载，同时其优异的压电性能可以进一步促进机械能转换成电势能。
SEM展示了PVDF-HFP海绵状薄膜的多孔结构，ZnO纳米棒则以此三维骨架为基底生长出毛刷状的阵列。
Fig. 1. (a,b) Field emission scanning electron microscopy (FESEM) images of PVDF-HFP and ZnO NR/PVDF-HFP spongy films, the insets in a and b are the corresponding digital photographs. (c) High-resolution FESEM image of ZnO NR/PVDF-HFP spongy film.
如图2，PVDF-HFP薄膜和ZnO纳米棒/PVDF-HFP薄膜在交变电压激励下的振幅曲线呈现典型的蝴蝶形，相位曲线呈现滞后环，说明两种薄膜均具有压电性质。ZnO纳米棒/PVDF-HFP薄膜的振幅最大值明显高于PVDF-HFP薄膜的振幅最大值，可以推断ZnO纳米棒和PVDF-HFP的压电场在空间上存在正向叠加。
如图3b和3c，ZnO纳米棒薄膜和ZnO纳米棒/PVDF-HFP薄膜的发光强度在压力释放过程中下降，说明ZnO纳米棒薄膜自身的压电场和ZnO纳米棒/PVDF-HFP薄膜的复合压电场对ZnO纳米棒的光生载流子起到了分离的作用，抑制了复合发光。
从4a和4b可以看到，随着水流应力的增加（从200 转/min到1000 转/min），ZnO纳米棒/PVDF-HFP薄膜的光催化性也逐渐增加，其反应速率常数从0.0101 min -1 提高到0.0399 min -1 。可以推测，ZnO纳米棒/PVDF-HFP薄膜在应力的作用下引发的复合压电场提高了ZnO纳米棒的光催化性能。
当ZnO纳米棒/PVDF-HFP海绵状薄膜受到水流的应力（图8a），ZnO纳米棒和PVDF-HFP海绵状薄膜各自激发出压电场（图55c和5d）。促使ZnO纳米棒内部受光激发产生的电子和空穴发生分离，并进一步迁移到纳米棒的表面，进而催化降解水中的有机污染物分子。
本研究构建了一个压电效应辅助的光催化系统——ZnO纳米棒/PVDF-HFP薄膜，通过PFM和PL手段证明了其压电性质，并通过降解甲基橙染料证明了其可以将水流动能转化为电势能，从而促进光生载流子的分离与转移，进而提高ZnO纳米棒的光催化性能。这一结果可以为推进太阳能和水能这两种清洁能源在水污染处理中的实际应用提供新思路。
徐春祥，东南大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，江苏省“333高层次人才培养工程”中青年科技领军人才。致力于纳米光电功能材料在生物医学传感、电子器件、能源等领域的应用研究。先后以第一或通讯作者在Nano Energy、Nano Research、Appl. Phys. Lett.等物理、能源权威SCI期刊上发表论文100余篇，H因子46。
王明亮，东南大学教授、博士生导师。致力于有机及聚合物光电功能材料、纳米材料、有机药物晶型及精细化工化学品工艺等方面的研究工作。先后以第一或通讯作者在Chem. Comm.，J. SolidState Chem.，J. Phys. Chem. Solids.，J. Lumin.等国内外期刊上学术发表论文80余篇。
王茹，博士研究生，现就读于东南大学化学化工学院。主要研究方向为纳米光电材料在水污染处理领域的应用。
谢小雨，博士研究生，现就读于东南大学生物科学与医学工程学院。主要研究方向为纳米光电材料在光电解水领域的应用。