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调制极化旋转激发(K, Na)NbO3无铅压电材料的高压电催化活性

时间：2022-05-16 来源： 浏览：

调制极化旋转激发(K, Na)NbO3无铅压电材料的高压电催化活性

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研究背景

对压电材料施加周期性超声波会产生稳定且连续的自由电荷。超声波具有穿透力强、对人体无害等优势，因此将超声诱导的压电催化应用于疾病治疗成为近年来的研究热点。由于具有良好的生物相容性，基于 (K, Na)NbO 3 (KNN)材料的压电催化成为研究热点之一。然而，与铅基材料相比，先前报道的 KNN 基材料的压电性能相对较差（即较低的压电常数，d 33 ），限制了它们的压电催化活性。由于d 33 取决于 ε r 和 P r 的乘积。据报道，ε r 高度依赖于偏振旋转，由于偏振旋转的能垒降低，该偏振旋转在由两种或多种不同晶体组成的混合系统中得到提升。 调制极化旋转对于改善压电性能和由此产生的压电催化活性非常有前景。

成果简介

本文提出构建室温多相共存（即具有不同晶体对称性的混合系统）以促进不同铁电相之间的极化旋转，从而改善KNN 材料的压电性能和最终压电催化活性，如图 1 所示。通过不同相结构（即正交（O）相、正交-四方（O-T）共存相和菱面体-正交-四方（ R-O-T）共存阶段）的三个基于 KNN 的样品(KNN, KNN-BNZ, KNNS-BNZ))证明了调制偏振旋转的有效性。由于偏振旋转最容易，具有 R-O-T 共存相的极化样品显示反应速率常数为 0.091 min -1 ，是偏振旋转最困难的极化O相特征样品的2.12倍。增强的压电催化活性主要源于更容易的极化旋转和提高的载流子浓度，伴随着微量的机械电荷产生。因此，调制偏振旋转有效地促进了基于 KNN 的材料的压电催化，有望用于利用自然能量和疾病治疗。

图文导读

图1 KNN、KNN-BNZ 和 KNNS-BNZ 材料的 (a) 温度相关介电常数和 (b1-b3) 自发极化 (Ps) 矢量示意图。(c)电子和空穴的产生及其用于压电催化的示意图。
图2. KNN、KNN-BNZ 和 KNNS-BNZ 粉末的室温 XRD 图谱，2θ = 10–90◦ (a) 和 2θ = 44–48◦(b)- (c) KNN、KNN-BNZ 和 KNNS-BNZ 陶瓷的介电温谱。
图 3 (a1, a2) KNN、(b1, b2) KNN-BNZ 和 (c1, c2) KNNS-BNZ 粉末样品的 SS-PFM 测量。具有 (a3) KNN、(b3) KNN-BNZ 和 (c3) KNNS-BNZ 粉末的 PENG 的时间相关输出电压。
图 4 (a1) C/C 0 和 (a2) Ln(C 0 /C) 作为时间函数的 P-和 UP- 粉末样品。(b1) UP-KNN 基粉末和含有金属氧化物的 UP-KNN 粉末的 C/C 0 。(b2) UP-KNN、UP-KNN+B+Z 和 UP-KNN+B+Z+S 粉末在 30 分钟时的降解率， (c) P- 和 UP- 粉末样品的 k 值。
图 5 (a) P-KNNS-BNZ 粉末四次循环的 C/C 0 和 (b) 30 分钟时的相应降解率 (c) P-KNNS BNZ 粉末的自由基捕获实验和 (d) 30 时的相应降解率.(e) DMPO -O 2 和 (f) DMPO OH 使用 P-KNNS-BNZ 作为压电催化剂。
图6. (a) 使用不同压电材料的压电催化活性 k 值的比较。除 PZT-BF 粉末和 BT 纳米带为 10 mg/L 外，RhB 的浓度为 5 mg/L。(b1) KNN 和 (b2) KNNS-BNZ 粉末的现象学理论模拟。(c) 说明电子和空穴的产生、转移和压电催化应用的示意图。(d)图解说明机械电荷产生的示意图。

作者介绍

该成果近期以“Modulating polarization rotation to stimulate the high piezocatalytic activity of (K, Na)NbO3 lead-free piezoelectric materials”为题发表在“Applied Catalysis B: Environmental”期刊. 四川大学为该论文的第一单位，论文第一作者为: 孙茜茜  论文通讯作者: 四川大学吴家刚教授；四川大学吕想特聘副研究员。

论文信息

论文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2022.121471
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