刘宏教授、王金刚教授团队Small： 微振动诱发压电效应增强光催化二氧化碳还原

【文章信息】

PVDF/CdS/Ag 异质结构通过内建电场/压电效应和表面等离子体共振协同增强光催化二氧化碳还原

第一作者：魏子珺

通讯作者：刘宏*，王金刚*

【研究背景】

随着人口的增长和工业化水平的提高，大量化石能源的消耗导致二氧化碳（CO₂）等温室气体过度排放，并进一步导致气候灾害。使用某些方法将二氧化碳转化为有价值的化学物质是实现碳中和及社会可持续发展的有效手段。其中，光催化技术因其能利用太阳光以低成本还原二氧化碳而受到越来越多的关注，然而太阳光吸收率低和光生载流子极易复合是影响光催化效率的主要障碍。

【文章简介】

近日，济南大学王金刚教授和刘宏教授团队在期刊《Small》上发表了最新研究成果“Synergistic Enhancement of Photocatalytic CO₂ Reduction by Built-in Electric Field/Piezoelectric Effect and Surface Plasmon Resonance via PVDF/CdS/Ag Heterostructure”。研究者通过静电纺丝和光沉积工艺，制备出聚偏氟乙烯 (PVDF)/硫化镉(CdS) /银纳米粒子(Ag)纤维膜。内建电场/压电效应和表面等离子体共振协同效应大幅增强了光催化二氧化碳还原的能力。在微振动状态下，CO的生成速率是静态状态下的3倍，达到240.4 μmol·g^-1·h^-1，优于大多数光催化CO₂还原材料。高效的CO₂还原效率归因于内建电场/压电效应和表面等离子体共振协同效应，光生载流子的分离效率大幅度提高。

【本文要点】

要点一：压电纤维表面组装光催化剂

图1. 利用配位效应在压电纤维表面组装光催化剂

通过电纺丝技术制备了具有高压电性能和高比表面积的 PVDF 纤维膜，并首次通过 Cd²⁺和F^- 配位将纳米片状的CdS原位组装在 PVDF 纤维表面。之后在 CdS 表面上沉积了纳米银颗粒，形成了具有宽波长的光催化剂。

要点二：化学键与能带结构分析

图2. 催化剂的价键分析

图3. 催化剂的光学和能带分析.

纳米Ag显著增加光吸收范围和强度，同时与PVDF共同调节带隙结构，使催化剂具有更强的氧化还原能力。由于内建电场的光生载流子分离作用和纳米Ag的电子富集作用，光生载流子寿命明显增加。

要点三：高活性与易应用场景

图4. PVDF/CdS/Ag的光催化CO₂还原性能.

PVDF 自发极化电场可作为内建电场，实现光生载流子的高效分离。Ag的LSPR和PVDF的内建电场被充分利用来提高光催化剂的活性。与 CdS 粉末相比，CdS/Ag 和 PVDF/CdS 的CO₂ 的光催化还原效率分别提高了3倍和6倍，PVDF/CdS/Ag 的光催化还原效率提高了23倍，表明 LSPR 和内建电场具有显著的协同效应。

PVDF/CdS/Ag纤维膜在微振动下具有不断重建内建电场的特性。同时，压电效应和 Ag 纳米粒子的LSPR效应也表现出明显的协同效应。在微振动的条件下，PVDF/CdS/Ag的CO产率是静态条件下的三倍，达到 240.4 μmol·g^-1·h^-1。CdS 和 PVDF 的压电效应使催化剂在微振动（如气流驱动）下就能表现出很高的光催化性能，这与其他由超声波驱动压电效应相关的光催化剂相比，具有更优越的实际应用性。

要点四：催化机理

图5. PVDF/CdS/Ag的压电分析.

图6. PVDF/CdS/Ag 压电增强光催化性能的机理,

图5结果表明，光压能导致内建电场变化，从而产生压电效应。但由于使用的光强度恒定，光压导致的压电效应可归于内建电场的增强，压电效应主要体现于微振动导致的压电纤维极性变化，引发内建电场的重建（图6）。纳米Ag的LSPR效应产生更多光生载流子，压电效应对载流子复合的抑制以及Ag纳米粒子的电子富集效应，导致催化剂表面更多CO2被还原。

【文章链接】

Synergistic Enhancement of Photocatalytic CO₂ Reduction by Built-in Electric Field/Piezoelectric Effect and Surface Plasmon Resonance via PVDF/CdS/Ag Heterostructure

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202304202