自感应压电Bi?WO?电极用于原位监测界面声空化现象

《Sensors and Actuators A: Physical》：Self-sensing piezoelectric Bi 2WO 6 electrode for in-situ monitoring interfacial acoustic cavitation

开发基于铋钨酸铅（Bi?WO?）纳米片阵列的自传感电极（BWO SSDE），实时监测液-固界面声空化强度。通过优化绝缘层和电极结构，系统灵敏度为0.2 dB/μm，并成功追踪多酚聚合动态关联，为声化学机制研究提供新方法。

　　

赵若文|徐楠轩|王建媛|陈芳|翟伟

中国西北工业大学物理科学与技术学院材料物理与化学国家重点实验室（极端条件），西安710072

摘要

为了解决声化学反应中液固界面声空化强度的原位监测这一关键问题，开发了一种基于压电纳米片阵列的自感知电极。以Bi₂WO₆（BWO）作为模型压电材料，该自感知检测电极（BWO SSDE）采用了夹层结构：功能性的BWO纳米片/FTO基底层，中间填充有柔性的绝缘弹性体以实现高效的机械-电转换并防止电子泄漏，顶部覆盖一层薄银膜电极用于收集电信号。通过先进的信号处理和校准算法，在超声处理过程中获取了高分辨率的声压谱图。这使得能够系统地分析不同超声条件下的基本频率和谐波频率下的声压级（SPL）变化特性。验证表明，第三谐波频率的SPL（SPL_{60 kHz）能够稳定量化界面声空化强度，检测灵敏度达到0.2 dB/μm。该系统进一步扩展用于监测有机分子在声化学作用下的自组装反应，原位追踪聚酚（PAs）结构演变与界面SPL之间的动态关系。这种基于压电的声学自感知系统不仅为液固界面声空化强度的精确实时监测提供了一种新方法，也为使用多种压电材料构建传感设备树立了新范式。}

引言

声化学方法作为一种环保且高效的催化手段，被广泛用于纳米材料的合成和表面改性[1]、[2]、[3]。其内部机制源于微米级空化气泡的生成、生长、振荡和崩溃过程中产生的极端微环境（如空化微射流、高活性自由基和冲击波）[4]、[5]、[6]。这些微环境可以影响纳米材料上化学键的成核动力学、生长动力学以及形成/断裂过程[7]、[8]，从而实现具有独特微观结构的纳米材料的合成。这种方法已广泛应用于环境修复[9]（例如污染物降解）、可再生能源生成[10]（例如光电化学水分解）和高性能传感系统[11]。然而，由于空化气泡振荡/崩溃行为的随机性和微观反应尺度[12]的限制，当前研究仍缺乏对声化学反应机制的深入探索和纳米材料的精确微观结构设计。

为了提高声化学反应的可控性和重复性，研究人员开发了先进的声空化强度和空间分布表征方法。这种方法比调节超声输入功率更为精确。例如，声致发光技术通过测量荧光素-羟基自由基反应产生的光来量化瞬态空化强度[13]。另外，基于水听器的空化监测方法通过校准后的水听器分析微射流和冲击波产生的声噪声谱来量化空化强度[14]。总体而言，这些方法能够有针对性地调节纳米材料的晶格结构[8]、[15]、定向生长[7]、表面重构[16]和相组成[17]，从而提升其功能性能。当前研究表明，在涉及液固界面的声化学系统中，气泡在界面处的吸附从根本上改变了空化动力学（包括成核、生长、振荡和崩溃行为），与均匀液相空化不同[18]、[19]。这些差异使得界面空化强度的量化变得复杂，而这对于有机-无机异质结合成、共催化剂负载和压电光催化系统等应用至关重要。传统监测方法存在两个关键局限性：基于水听器的声学测量会在界面引入额外的声反射源，扭曲声场分布，只能近似估计界面空化强度；加入化学探针（如荧光素）的策略可能引发副反应，影响液相化学反应的准确性，并使空化诱导的自由基产率产生偏差。这些限制阻碍了声空化效应与电极表面反应动力学之间的动态关系的研究，最终限制了声化学反应的优化和规模化。

因此，开发一种能够在声化学反应过程中实时反馈材料-溶液界面声空化强度的原位监测系统是一个关键挑战。Bi₂WO₆（BWO）属于Aurivillius家族，具有由交替的Bi₂O₂片层和WO₆八面体层组成的正交对称结构[20]。这种类钙钛矿结构赋予BWO半导体光电响应特性和优异的压电性能[21]、[22]。利用这些多功能特性，近期研究利用BWO的压电响应实现了光压电协同催化，从而提升了其光电化学性能[23]。因此，BWO的固有特性表明它具有作为检测声化学反应中界面声空化强度的集成电极的潜力。

本研究创新性地开发了一种基于压电BWO纳米片阵列的自感知检测电极（BWO SSDE），用于原位感知界面声空化强度。该设计实现了超声触发下的电信号生成和检测，适用于实际的声化学反应应用。通过优化电阻层和电极配置，BWO SSDE系统能够实时监测声压、空化微射流和冲击波直接作用于电极表面时产生的压电流。通过用标准水听器校准BWO SSDE，实现了对BWO-溶液界面声压级（SPL）的定量表征。验证表明，第三谐波频率的SPL（SPL_{60 kHz）能够准确量化界面声空化强度，检测灵敏度达到0.2 dB/μm。利用BWO作为自感知电极研究聚酚的声化学诱导组装过程，该方法同时监测了溶液中聚酚聚集过程中BWO界面声空化强度的变化，以及聚酚尺寸和长宽比的变化。这项工作为在声化学反应中广泛应用其原位界面声空化监测方法奠定了基础，利用了压电半导体材料的高集成性、稳定性和可控性。}

部分内容摘要

Bi₂WO₆自感知检测电极（BWO SSDE）的合成

通过传统的水热模板方法，在氟掺杂氧化锡（FTO）基底上合成了厚度为1.6 μm的Bi₂WO₆纳米片阵列[24]。所得到的BWO自感知检测电极（BWO SSDE）采用了三层结构：首先是生长在FTO上的BWO纳米片基底层，作为压电换能器；中间是约0.8–1.0 μm厚的聚二甲基硅氧烷（PDMS）绝缘层

Bi?WO?界面空化自感知检测系统的构建

本研究使用Bi₂WO₆（BWO）纳米片阵列作为模型压电材料，构建了一种能够原位监测声化学过程中液固界面空化强度的自感知检测电极（BWO SSDE）。图1(a)展示了BWO SSDE的层次结构，该电极集成了压电转换、信号收集和环境屏蔽功能。BWO SSDE的主要部分是垂直

结论

本研究开发了一种创新的压电Bi₂WO₆自感知检测电极（BWO SSDE）系统，用于原位监测声化学过程中的界面声空化动态。通过优化的电绝缘层和电极配置，BWO SSDE系统能够实时检测由声压、空化微射流和冲击波在BWO-液体界面产生的压电信号。经过标准校准后

作者声明

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作者贡献声明

翟伟：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法论、概念构思。徐楠轩：可视化、方法论、数据分析、概念构思。赵若文：撰写 – 初稿撰写、可视化、方法论、数据分析、概念构思。陈芳：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法论、概念构思。王建媛：撰写 – 审稿与编辑、资源准备、方法论、概念构思。

利益冲突声明

作者声明没有财务利益冲突。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：52473019、52130405、52088101和U24A20206）以及陕西省研究计划（项目编号：2023-JC-JQ-28）的资助。

赵若文目前在中国西北工业大学物理科学与技术学院攻读博士学位。她的研究兴趣包括基于压电半导体的传感器设计。