第一作者：郭镕硕

通讯作者：张也，黄洪伟，任晓辉，Hans Ågren

通讯单位：南华大学 中国地质大学 武汉科技大学 乌普萨拉大学

论文DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202520797

近日，南华大学化学化工学院张也教授团队在国际知名期刊Advanced Functional Materials上发表了题为“Oxygen Vacancies and Electric Poling Synergistically Modulate c-Axis Built-in Electric Field in Bi₂TeO₅ for Efficient H₂O₂Production Under Real Water Motion”的研究论文。本研究系统探讨了氧空位调控与电极化协同改性的纯相 Bi₂TeO₅（P-BTO-V_O）作为先进压电催化剂，在过氧化氢（H₂O₂）制备、复杂有机污染物降解及自驱动水处理系统等多个方面的应用。该工作为压电催化剂的“缺陷调控-电极化-规模化应用”设计范式提供了重要参考，对推动压电催化技术在绿色能源生产和实际废水处理中的发展具有深远意义。

全球环境治理与绿色能源需求正推动压电催化技术迅速发展。该技术能够将环境中广泛存在的机械能直接转化为化学能，无需外部供能，在传统催化受限于能量输入的场合展现出独特潜力。在众多压电材料中，Aurivillius相材料因具有层状结构、可调带隙和固有内建电场（IEF）而备受关注。Bi₂TeO₅因其具有立体化学活性的Bi³⁺的6s²孤对电子和三维电子传输通道而脱颖而出。然而，其实际应用面临三大挑战：（1）传统高温（600–800 ℃）合成方法能耗高、工艺复杂，且易导致杂质形成；（2）[BiO₅]多面体的局域极化无序及层间耦合作用弱，导致层间电荷传输效率低；（3）粉末催化剂在实际使用中难以回收，存在二次污染的风险。

本研究中，我们创新的通过简便水热法（90 °C）成功合成出纯相Bi₂TeO₅。为克服层间电荷传输的限制，我们提出了一种氧空位调控与电场极化协同的策略，有效构建了沿c轴有序且显著增强的内建电场。通过引入施主能级并优化d带中心，该策略不仅能通过水氧化路径高效生成H₂O₂，还能活化过硫酸盐，从而在实际水流条件下降解多种有机污染物。此外，基于PVDF薄膜构建的自驱动水处理反应器，展现了良好的规模化应用前景。

要点1：从SEM、TEM、HRTEM、EDS以及XRD的测试结果得出，纯相BTO成功合成。进一步的研究表明，氧空位与电极化的共同作用诱导了[BiO₅]结构单元扭曲。

图 1. (a) BTO、BTO-V_O与P-BTO-V_O的合成过程示意图；(b) P-BTO-V_O的TEM图像及元素分布图；(c) BTO的分子结构式；(d) P-BTO-V_O的对应HAADF-STEM图像；(e-j) BTO、BTO-V_O与P-BTO-V_O的XRD、O 1s XPS及EPR谱图。

要点2：系统的原位与非原位表征结果表明，与BTO相比，P-BTO-V_O的极化强度、压电系数、压电响应电流、表面电荷密度及载流子迁移率分别提升了2.7倍、2.0倍、3.2倍、6.1倍和1.2倍。

图 2. (a) BTO、BTO-V_O与P-BTO-V_O的P-E曲线；(b-d) PFM测试；(e) KPFM测试；(f) 霍尔效应测试；(g-i) CAFM测试。

要点3：通过理论计算详细揭示氧空位调控和电极化的作用

图 3. (a) 紫外-可见漫反射光谱；(b) BTO-V_O的能带结构图与总态密度；(c) BTO与BTO-V_O中O原子的态密度计算；(d) 施主能级形成示意图；(e-f) BTO-V_O的导带底、价带顶及空穴复合中心；(g) BTO、BTO-V_O及施加应力后BTO-V_O的c轴方向内建电场；(h) 电势差与层间距。

要点4：系统探究了P-BTO-V_O高效产生H₂O₂的机制

图 4. (a-b) 不同催化剂的压电催化 H₂O₂产率；(c) 自由基捕获实验；(d-e) Bader电荷和d 带中心分析；(f) H₂O在BTO、BTO-V_O及施加5%应力的BTO-V_O表面上的吸附能、键长、键角、差分电荷密度；(g) H₂O在BTO、BTO-V_O及施加5%应力的BTO-V_O表面吸附前后的局域态密度。

要点5：将压电材料与PVDF复合，制备出了可规模化应用的高性能压电薄膜，成功解决了粉末催化剂在实际应用中回收困难及易造成二次污染的问题。基于该薄膜构建的自驱动水处理反应器，能够在实际水流条件下高效活化过硫酸盐，对16种有机污染物均展现出优异的降解效能（图5）。

图5. (a) 模拟潮汐能压电催化反应器示意图；(b) 压电催化剂对催化性能的影响；(c) 转速对RhB压电催化降解速率的影响；(d) 16种有机污染物的压电催化降解率与时间；(e) 自驱动水处理循环反应器示意图；(f) 重力势能对反应速率的影响；(g) EPR信号谱图。

综上所述，本研究通过绿色温和的水热法成功合成纯相 Bi₂TeO₅，进一步通过氧空位调控和电极化策略从结构与电子层面解决了Bi₂TeO₅的层间电荷分离瓶颈。氧空位破坏[BiO₅] 对称性并形成空穴捕获中心，诱导产生沿c 轴有序的内建电场。应力作用下将层间电势差提升至0.12 eV、并减小层间距，最终沿c轴构建显著增强的内建电场，从而显著增强层间电子耦合与载流子迁移能力。优化后的材料表现出显著增强的极化强度、压电系数和载流子迁移率，在纯水流条件下实现了256 μmol g^-1 h^-1的H₂O₂生成。Bader电荷分析表明，Bi位点的电荷增加+1.04 eV，相应的d带中心下移-0.97 eV，从而增加了水吸附能并降低了水氧化能垒。最后，我们构建了重力势能驱动的薄膜反应器，可有效活化过硫酸盐并降解实际废水中的多种污染物。本工作为设计具有高性能的压电催化剂提供了新见解。