综述：压电催化中的应变工程：从微观原子调控到宏观应用

《Materials Today》：Strain engineering in piezocatalysis: From microscopic atomic modulation to macroscopic applications

压电催化技术利用机械能驱动电荷分离，但弱环境刺激下材料活性不足。应变工程通过调控晶体应变优化电子结构和表面反应，显著提升催化效率。本文系统综述了应变工程在压电催化中的应用机制、优化策略及前沿进展，涵盖能源转换与环境修复等领域，为理性设计高性能催化剂提供理论指导。

　　

施科强|金成超|刘代明|蔡玉星|桂志宇|孙家豪|李岚|陈志|吴琼

中国吉利大学材料与化学学院，杭州310018，中国

摘要

压电催化是一种有前景的绿色技术，它利用机械能产生压电极化，从而实现高效的电荷分离，用于可持续能源转换和环境修复。然而，许多压电材料的压电催化活性有限，尤其是在水流动和噪声等弱环境机械能量刺激下，这严重限制了它们的实际应用。应变工程作为一种整体策略应运而生，通过精确调节压电材料的晶格和电子结构来克服这些瓶颈。本综述全面系统地概述了晶格应变在压电催化中的关键作用，旨在指导高性能压电催化剂的合理设计。首先，我们介绍了压电催化的基本原理。接下来，我们探讨了将应变引入压电纳米晶体的合成方法以及表征应变的高级技术。然后，我们研究了应变增强压电催化性能的机制，重点关注应变对压电响应、载流子动力学和表面反应的影响。随后，我们强调了应变工程在压电催化应用中的最新进展。最后，我们讨论了应变介导的压电催化中的关键挑战和未来方向，为高性能压电催化剂的合理设计提供了宝贵的见解。

引言

鉴于全球能源危机的加剧和环境挑战的加剧，迫切需要开发不依赖化石燃料的可持续化学转化技术[1]、[2]、[3]、[4]。压电催化作为一种有前景的技术，利用机械振动（如噪声和水流动）在非中心对称材料中诱导压电极化[5]。这种极化促进了电荷分离，推动了能源转换、环境修复和生物医学等领域的应用[6]、[7]。

最近，压电催化因其将风能、噪声或水流动等弱自然机械能转化为化学能的潜力而受到广泛关注[8]、[9]。然而，许多压电材料的压电催化性能不足，无法满足实际需求，尤其是在环境中的弱机械扰动下，这归因于它们固有的压电性能较弱、电荷分离效率低和活化能垒高[10]、[11]。这些材料缺陷导致环境中的机械能量太弱，无法触发高效的催化过程。

最近，应变工程作为一种有前景的策略出现，能够在原子层面精确调节材料性能[12]。有意引入晶格应变可以显著改变材料的电子结构、载流子动力学和表面反应动力学[13]、[14]、[15]。应变工程在电催化和光催化中已被证明是有效的[16]、[17]、[18]、[19]。然而，与光催化或电催化不同，在压电催化中，应变不仅优化了表面反应动力学，还直接诱导或增强了压电响应，这是压电催化反应的基本驱动力[20]。例如，通过球磨将晶格应变引入BaTiO₃中，显著提高了其用于染料降解和H₂释放的压电催化效率[21]。同样，在具有有限固有压电性的材料（如二维（2D）压电系统）中，缺陷可以诱导局部晶格畸变，从而改善压电响应并增强压电催化活性[22]、[23]。

尽管应变工程在压电催化中具有这些有前景的优势，但关于应变如何增强压电催化活性的明确机制仍然不清楚。目前的大部分研究仅建立了相关性，表明施加应变可以提高性能，但往往无法解释其背后的物理和化学机制。这一差距使得该领域主要依赖于试错方法，阻碍了高性能催化剂的预测性和合理设计。

为了系统地阐明应变工程在压电催化中的理论、方法和前沿应用，并为其未来发展提供指导，本综述全面分析了晶格应变在压电催化中的关键作用（图1）。我们首先概述了压电催化和应变工程的基础知识，包括压电催化机制的主流理论、在纳米晶体中引入应变的各种策略以及在原子尺度上表征应变的高级技术。接下来，我们从三个关键角度探讨了应变增强压电催化性能的基本机制：调节压电响应、优化载流子动力学和加速表面氧化还原反应。此外，我们回顾了应变工程在压电催化中的广泛应用，包括水分解、CO₂还原、N₂固定和环境修复。最后，我们讨论了该领域的当前挑战和前景。

章节片段

压电催化的基本原理

要理解应变工程在调节压电催化性能中的作用，首先需要了解压电催化和应变工程的基础原理。因此，本章介绍了压电催化的基础知识，从压电效应开始，并介绍了压电催化的三种主要机制理论。

应变工程的基础

高性能压电催化剂的合理设计依赖于对晶格应变的精确控制，这可以从根本上调节固有压电性、电子结构和表面活性位点。因此，开发有效的将应变引入压电催化剂的方法并使用先进技术对其分布进行映射至关重要。因此，本章回顾了压电纳米材料的应变工程方法，重点关注

压电催化中的应变工程机制

压电催化反应是一个复杂的过程，涉及三个关键步骤：压电势的产生、载流子的迁移以及随后的氧化还原反应。这些步骤中的任何一个环节的瓶颈都会显著影响整体催化效率。应变工程提供了一种整体策略来优化这一序列中的每个步骤。本章将探讨应变如何调节这些步骤。

应变工程在压电催化中的应用

最近的突破表明，合理引入晶格应变可以协同调节压电响应、载流子动力学和反应动力学，从而优化催化效率，以应对能源和环境挑战[103]。本章系统地介绍了应变工程在压电催化中的应用，包括能源转换（水分解、CO₂还原和N₂固定）、环境修复和生物医学。

结论

本综述提供了一个将应变工程与压电催化联系起来的综合框架。本综述的主要焦点是全面探讨应变的内在机制，特别是其对压电响应、能带结构、载流子动力学、活性位点和表面反应能量垒的调节作用。一系列开创性的应用表明，应变工程不仅可以显著提高现有催化剂的催化活性

CRediT作者贡献声明

施科强：撰写——原始草稿、研究、数据管理。金成超：撰写——审稿与编辑、概念化。刘代明：概念化。蔡玉星：研究、数据管理。桂志宇：方法学、研究。孙家豪：研究。李岚：方法学。陈志：撰写——审稿与编辑。吴琼：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家关键研发计划（2023YFF0612601）、浙江省关键研发计划（资助编号：2023C02038）和浙江省自然科学基金（LQ23B010003的财政支持。感谢ChatGPT和Gemini对文章语言和语法的润色。