综述：用于压电驱动H?O?生产的压电催化剂的结构工程：实现先进废水处理中的多功能集成

《CHINESE CHEMICAL LETTERS》：Structural engineering of piezocatalysts for piezo-driven H 2O 2 production: Enabling multifunctional integration in advanced wastewater remediation

压电催化材料通过机械应力驱动电荷分离，实现H2O2原位高效合成，其性能受晶体对称性、异质结结构、表面官能化、结晶度及孔隙率等多尺度结构调控。本文系统分析不同压电材料（钙钛矿、层状化合物、二硫化钼等）的构效关系，揭示晶格畸变诱导内建电场增强氧化还原活性位点反应效率的机制，并探讨其在废水治理中的应用潜力。

　　

岳茵|范雅萍|姚阳|尹毅|赖波

郑州大学生态与环境学院，中国郑州，450001

摘要

基于电极极化过程的压电催化为原位生成H₂O₂提供了一种极具前景的方法。压电催化H₂O₂的效率受到外部操作参数（如激发频率）和内在材料属性（特别是晶体特性及控制电荷分离动力学的极化强度）的双重限制。因此，针对增强极化响应、加速电荷转移以及加强活性位点上的反应物吸附的结构优化已成为研究的重点。本文评估了压电材料的设计策略，建立了跨越多尺度特征与H₂O₂生产效率的结构-功能关系，并评估了其在先进废水处理中的技术可行性。通过系统分析不同压电催化系统的核心结构决定因素（包括晶体对称性、异质结、表面功能化、聚合程度以及微观结构参数（孔隙率/厚度），我们阐明了H₂O₂生成的结构-功能依赖性。这些决定因素已在钙钛矿、铋基层状化合物、纤锌矿型材料、过渡金属硫属化合物、碳基材料、聚合物、金属有机框架和MAX相材料等不同材料类别中得到验证。这些见解将为原位H₂O₂合成奠定机制基础，从而推动通过压电催化实现可持续的水处理。

引言

过氧化氢（H₂O₂）作为一种无碳能源载体，具有较高的体积能量密度（5.0 × 10⁶ J/L）[1]，已广泛应用于废水处理[[2], [3], [4]]、医疗消毒[[5], [6], [7], [8]]等领域。目前全球H₂O₂的年产量已超过400万吨，但其运输和储存存在显著的安全风险[[7], [8], [9]]。储存引起的自分解进一步增加了运营成本[10]。因此，高效且环保的原位H₂O₂生成技术已成为近年来的研究热点[[11], [12], [13]]。

压电催化提供了一种变革性的替代方案，它能够在常温条件下温和地原位生成H₂O₂，通过更高效的电子利用实现更高的转化率，同时避免了传统方法所需的高压反应器和有毒溶剂[14]。Pierre等人首次观察到石英和电气石晶体在机械应力作用下的表面电荷生成现象，发现电荷积累与应力成正比，并在应力去除后立即消失[15]。这种现象中，机械变形导致正负电荷中心的相对位移，产生极化表面电荷并建立电位梯度，这就是所谓的压电效应[16]。最近，压电催化技术通过利用环境机械能（例如振动、水力）来激活压电极化场，从而释放自由电荷（电子/空穴），驱动氧化还原反应[17]。这种环境友好的策略通过现场生产避免了储存引起的自分解，为包括CO₂还原[18]、水分解产生H₂[19]和H₂O₂合成[20]等关键能源环境应用提供了可能。

压电效应源于机械应力引起的晶格变形，使内部电荷中心发生位移，从而产生极化电场[[21], [22], [23]]。结构各向异性使得外力能够使阳离子/阴离子位置错位，产生偶极矩，其大小决定了压电势的强度。更高的极化强度会产生更强的内置电场，从而增强催化动力学[24]。压电系数（d₃₃）是衡量这一效应的关键参数，Pb(Zr, Ti)O₃的电荷生成效率（400 pC/N）优于BaTiO₃（100 pC/N），这意味着后者需要更大的机械能量输入才能达到相同的催化效果[25]。极化强度还与晶体对称性（例如非中心对称的BiFeO₃在居里温度以下）、缺陷密度（优化氧空位的BiFeO₃可产生110.07 μmol g^?1 h^?1 H₂O₂）[26]以及形态有关；纳米结构通过提高表面积与体积比和应力集中度来放大响应[27]。例如，超薄ZnO/Al₂O₃（4.5 nm）比ZnAl-LDH（1.23 V）表现出更高的表面电位（1.42 V）[28]，BaTiO₃纳米线在相同应力下产生的压电势是纳米颗粒的56倍（11.2 V vs. 0.2 V）[29]。这些发现表明，多尺度结构工程在控制压电性能方面起着决定性作用。

通过对材料结构（包括晶体结构、微观架构、缺陷配置和表面特性）的精确工程化，可以增强内置电场并优化极化响应。这种协同增强直接提高了压电催化H₂O₂的生成效率。本研究重点探讨了关键材料类别中的结构-性能关系，将结构描述符与机械催化性能联系起来，并进一步研究了其在机械驱动的H₂O₂生成中的应用，特别是对调控氧还原反应（ORR）和水氧化反应（WOR）的应变介导的表面电荷重新分布机制（图1）。通过建立极化场驱动的压电催化协同机制，这项工作为可持续的H₂O₂生产和原位水处理技术提供了功能材料设计的新思路。

部分摘录

催化剂结构对压电催化H₂O₂生成的影响

在压电催化系统中，H₂O₂的生成受到外部操作参数和内在材料属性的协同作用的影响。作为核心决定因素，压电催化剂的多尺度结构特性是本综述的主要关注点。我们建立了催化剂结构与H₂O₂生成性能之间的基础关联，特别研究了界面、晶体和宏观属性如何决定功能结果。

有机污染物的氧化

压电催化H₂O₂的生成通过提供绿色、低能耗的废水处理方法，克服了传统合成方法的局限性。这些系统利用双重污染物降解机制，通过直接氧化与协同激活相结合[137]。机械应力诱导压电极化，产生内置电场，同时驱动H₂O₂的生成和微量污染物的降解（图6a）[138,139]。例如，羟基磷灰石

结论与展望

压电催化H₂O₂生成技术由于其低材料成本和清洁高效的反应过程而展现出广阔的应用前景。然而，H₂O₂的产量仍然受到催化剂压电响应较弱、机械能转换效率低以及活性位点不足（这些因素阻碍了反应物的吸附和活化）的限制。更关键的是，关于H₂O₂生成机制的基础研究仍存在挑战。

CRediT作者贡献声明

岳茵：撰写——原始草稿、方法论、研究设计、资金获取、数据分析、概念构建。范雅萍：数据可视化、验证、软件使用、项目管理。姚阳：撰写——审稿与编辑、软件使用、方法论设计、数据分析、概念构建。尹毅：撰写——审稿与编辑、软件使用、资金获取。赖波：撰写——审稿与编辑、监督工作、方法论设计。