综述：极化驱动的压电催化作用及铁电材料中的力学性能判据：从传统选材方法到人工智能辅助的设计

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Polarization-driven piezocatalysis and mechanical criteria in ferroelectric materials: From conventional selection to AI-guided design

铁电材料通过极化调控与多场协同效应（电/光/机械）促进光催化固氮，涉及缺陷工程、单原子工程、异质结工程及AI辅助设计，优化载流子分离与反应路径选择性。

　　

Fanbing Yan|Abeer Abdulaziz Alsanad|Guangri Chen|Lianwei Shan|Abdul Khader Jilani Saudagar|Jagadeesh Suriyaprakash

哈尔滨工业大学材料科学与化学工程学院，中国哈尔滨 150080

摘要

铁电（FE）材料凭借其独特的自发极化特性，在光催化氮固定方面具有巨大潜力。本文综述了铁电材料的基本物理性质，包括介电、压电和弹性特性，并系统探讨了如何通过外部场动态控制铁电极化以及如何有针对性地设计催化性能。从反应机理出发，全面讨论了氮分子在铁电催化剂表面的激活和还原路径，以及极化如何调节关键中间体的吸附能垒和产物的选择性。此外，本文还总结了典型催化剂的设计与应用方法，如缺陷工程、单原子工程和异质结工程。最后，概述了人工智能（AI）驱动的高性能催化剂设计的变革性进展。

最后，本文对未来发展趋势进行了展望，强调了多场协同作用的重要性。

引言

氮是地球大气的主要成分，约占空气体积的78%[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。氮的固定和转化对于农业生产中的肥料制造以及工业生产中的重要化学原料（如氨、硝酸和含氮聚合物）至关重要。这一氮循环在生态环境的可持续发展中发挥着重要作用[6]、[7]、[8]、[9]、[10]。传统的哈伯-博施工艺需要在高温高压下将氮和氢合成氨，消耗了全球1%至2%的能量，可能加剧全球气候变化。因此，寻找更高效、温和且可持续的氮还原途径一直是一个关键的科学问题[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]、[17]。

铁电材料是一类具有独特极化特性的材料，在氮固定领域作为光催化剂受到了关注[18]、[19]、[20]、[21]。以铁电钛酸钡BaTiO₃（BTO）为例，其在居里温度以下呈现四方晶体结构，自发极化（P_s）方向沿[001]晶向[22]、[23]。当受到应力等外部作用力时，机械能可以转化为电能，由此产生的压电效应为光催化氮固定反应提供了新的可能性。研究表明，压电效应产生的电场可以促进光生载流子的分离和迁移，从而提高催化反应的效率[24]、[25]、[26]、[27]。例如，Wang等人利用超声诱导的机械应变在BTO中产生极化场，将外部力场的能量转化为压电电荷[28]。Polyheptazine imide（DCKN）在100 MPa的压力下引起晶格畸变和内部电荷分布重构，增强的偶极矩和极化为光生载流子的分离和活性位点的形成提供了条件[29]。由此可见，这种力场可以作为压电催化材料驱动催化反应的能量输入源之一。

铁电材料还受到光场、电场或其他外部场的影响[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。例如，Yang等人发现BaTiO₃基铁电材料在光场作用下的极化状态会发生变化[36]。分离出的光生电子和空穴提高了光催化氮固定的效率。He等人的研究表明，施加的电场显著改变了钛酸钡薄膜的极化反转和铁电畴结构，并能调节表面电荷分布[37]。Feng等人的研究表明，施加的声场促进了BTO/graphdiyne/金纳米纤维材料中Ti-O键的伸缩变化，增强的极化有利于载流子的传输。可以看出，基于铁电材料的催化反应在多场条件下表现出丰富的可调性。同时，铁电材料还表现出强烈的结构敏感性[39]、[40]、[41]。例如，热处理方法可以在BTO中产生氧空位，氧空位可以提高BTO的压电极化性能并调节Ti³⁺的局部电子结构，促进N₂的活化和解离[42]。在BaTiO₃/SrTiO₃中，Li等人发现BTO的晶格畸变与异质结构组分SrTiO₃的耦合有关，局部可调的压电场有效优化了载流子分离效率[43]。在多场耦合下，铁电材料的极化可调性为其在氮固定反应中的外部场调控应用提供了内在优势。

鉴于铁电材料的内在物理特性，本文从极化调控的角度阐明了其介电和压电物理性质。从力学角度讨论了铁电材料在压电效应下的稳定性。基于铁电材料的表面结构，阐明了其在催化氮固定中的选择性机制。总结了铁电材料在氮固定中的设计策略，包括缺陷工程、单原子工程、异质结工程和机器学习（ML）设计，并强调了多场协同效应的关键作用。最后，从实际应用的角度讨论了优化和使用铁电材料进行氮固定的难点。

章节片段

极化

铁电材料是一类具有自发极化的晶体材料，即使在没有外部电场的情况下也表现出有序的电偶极子排列[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。此外，铁电材料的极化特性还受到温度、外加电场和应变的影响[51]、[52]、[53]、[54]。例如，在一定温度范围内，铁电材料的极化强度会随温度升高而变化

铁电材料的内在物理性质

2列出了铁电材料（如BaTiO₃和BiFeO₃）的相结构、空间群、弹性模量、介电常数和压电常数。这些铁电材料主要为钙钛矿结构，其高弹性模量表明它们能够在压电催化过程中承受较强的空化效应。不同的介电常数和压电常数表明PbTiO₃仍可能是理想的载体之一

氮活化与还原反应的选择性

光催化氮固定的基本原理是利用光催化剂在光照条件下生成活性电子和空穴，这些电子和空穴激活质子（H⁺），使它们在催化剂表面吸附氮分子，进而断裂稳定的NN键。氮分子与氢原子发生还原反应，生成相应的中间体，这些中间体在催化剂表面进一步生成氨[124]、[125]、[126]

缺陷工程

缺陷工程通过改变催化剂的局部协调环境来提高其效率[137]、[138]、[139]。一般来说，缺陷工程可以减小带隙、增强光吸收并降低电荷复合。作为铁电材料和金属氧化物材料中常见的缺陷类型之一，氧空位（OVs）可以调节材料的电子结构和表面化学性质，增强N₂分子的吸附

结论

压电-光催化氮固定技术的核心优势在于其动态可调的多场协同作用（包括内置电场、光场和机械场），这种协同作用通过其自发极化与外加场的耦合实现。来自外部场的能量输入和转换为光生载流子提供了空间分离驱动力和效率

资助声明

本工作得到了伊玛目穆罕默德·伊本·沙特伊斯兰大学（IMSIU）科研处的支持和资助（资助编号IMSIU-DDRSP2603）。

CRediT作者贡献声明

Lianwei Shan：撰写 – 审稿与编辑、验证、监督、方法论、概念化。Guangri Chen：方法论、研究。Abdul Khader Jilani Saudagar：方法论、概念化。Fanbing Yan：撰写 – 原稿撰写、可视化、方法论、研究。Jagadeesh Suriyaprakash：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。Abeer Abdulaziz Alsanad：验证、方法论、形式分析、撰写 – 审稿与编辑。

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