国内新型压电催化剂制备的研究现状

摘要：压电催化剂经过近一个世纪的研究发展，由最初应用在声呐技术发展到能量收集、传感和驱动等高科技应用领域。本文论述了新型压电催化剂主要的制备方法，主要包括制备二维范德华过渡金属二硫属化物压电催化剂的化学气相沉积法和剥离法；制备层状铋系压电体压电催化剂的固相法和水热法；制备基于纤锌矿的压电半导体基压电催化剂的共沉淀法和第一性原理计算方法；制备基于超薄二维材料压电催化剂的电催化法；制备基于金属有机物压电催化剂的电化学活化法和微乳液法，并进行了详细论述。最后，讨论了新型压电催化剂制备的技术难点和研究方向。

关键词：压电材料；压电催化；材料制备

中图分类号：T09文献标识码：A

1概述

近年来，由于科技的不断发展，世界工业化发展迅速，进而导致了不同的污染物逐渐渗透在海洋、空气和土地中，并不断累积使得地球的环境受到危害，现如今已经影响到了人类的生活。在这种情况下，环境治理已经刻不容缓。在多种环境治理方法和技术中，利用压电效应用于环境修复的压电催化技术广受关注，压电效应不仅有助于直接分解污染物，而且还能通过降低光生载流子的再结合率来强化光催化过程。压电催化的催化作用主要来自压电微晶体之间的应力，这种应力相互感应并驱动产生催化作用，破坏了机械能与化学能。压电材料的机械变形产生的电势差通常称为“压电电势”［1］，再通过超声波、机械搅拌或水波震动调节之后，就会达到极化强度以用于对表面空间电荷的吸附和解吸。与其他技术相比较，由于压电催化技术实际上只利用了机械能，因此这项技术更具有吸附能力，并减少了对其他能量的摄取。

目前，压电催化技术主要是通过机械力的作用使材料产生一种内置电场，加快氧化还原能力的进行，以达到催化的作用。最早在2012年，具有压电催化材料BaTiO3微晶降解AO7通过PZEC效应在一定的电能下被制备出来。随后，多种压电催化剂均被研究并制备出来，本文就以传统与新型压电催化剂的制备方法进行论述。

2传统与新型压电催化剂的制备

2.1传统压电催化剂的制备

传统压电材料主要通过多种物质与元素复合、改性形成的，主要包括稀土或碱土金属和过渡金属形成的钙钛矿，再通过与其他元素混合，探究其压电效应的最佳比例。传统压电材料钛酸钡基（BaTiO3）和锆钛酸铅基材料（Pb（Zr1xTix）O3）的制备均基于这个原理制备出来的。后来利用具有界面结构畸变的CdS与H、C等元素相结合制备出六方H＼＼CCdS，并通过表征发现，六方H＼＼CCdS具有优秀的压电光催化H2速率［2］。传统压电催化剂的制备方法比较单一，而且催化剂的用量、污染物溶液的浓度、超声功率和频率等都没有统一的标准，难以横向比较压电催化。

2.2新型压电催化剂的制备

传统压电材料的制备过程主要是应用了铁电、压电和热释电效应与不同催化反应耦合的基本原理，利用极化诱导的内部电场在这些材料中的电荷分离和传输。目前，传统的催化剂制备技术往往存在制备过程复杂、能耗高、催化剂活性不稳定等问题。同时，现有的压电催化剂在催化效率、稳定性以及使用寿命等方面仍难以满足实际应用的需求。因此，探索新型压电催化剂的制备技术，突破现有技术的局限性，是当前研究的迫切任务。新型压电催化剂应具备高催化活性、高稳定性、长寿命以及低制备成本等特点。这些特性将有助于提高能源转换效率、降低环境污染，同时推动相关产业的可持续发展。因此，新型压电催化剂的制备得到大力重视。本文选取了目前五类研究迅速的新型压电催化剂（二维范德华过渡金属二硫属化物压电催化剂；层状铋系压电体压电催化剂；基于纤锌矿的压电半导体基压电催化剂；基于超薄二维材料压电催化剂；基于金属有机物压电催化剂），并为它们的制备方法做出简要论述。

2.2.1二维范德华过渡金属二硫属化物

二维范德华过渡金属二硫属化物在纳米尺度上表现出优异的电学、光学和力学性质，使得其在催化反应中能够高效促进电子转移和能量转换。其层状结构也赋予了其良好的可调控性和可加工性，为催化剂性能的优化提供了更多的可能性。二维范德华过渡金属二硫属化物，作为一种拥有独特物理和化学属性的先进材料，在压电行业、光电子器件、太阳能电池以及能量存储等诸多领域展现出非凡的应用潜力。目前国内对二维范德华过渡金属二硫属化物压电催化剂的制备主要由化学气相沉积法和剥离法。

化学气相沉积法：是一种利用气态或蒸汽态的物质在气相或气固界面上发生反应生成固态沉积物的过程。国内采用低压化学气相沉积法对WS2和WSe2的生长机制进行了研究，并实现了WSe2和WS2纳米片的均匀生长，并根据此原理制备出超过200μm的连续MoS2薄膜，MoS2薄膜均匀性较好，且晶体质量优异［1］。这种方法与传统制备方法相比，提高了制备效率。

剥离法：是一种通过施加机械力（如摩擦力、拉力等）从层状材料中分离出单层或少数几层原子晶体的方法。目前国内利用微机械剥离法和嵌锂剥离法分别制备出在SiO2/Si（二氧化硅厚度为300nm）衬底上成功制备了高质量的锑烯（Sb）和AgMoS2复合薄膜［3］，制备出的压电催化剂拥有更好的催化性能。这两种制备方法的优缺点见表1。

2.2.2层状铋系压电体

随着电子技术的快速发展，高频应用成为压电材料新的发展方向。层状铋系压电材料在高频下具有良好的压电响应和能量转换效率，因此在高频滤波器、谐振器等领域具有广阔的应用前景。研究者们通过改进材料结构和制备工艺，进一步提升了其在高频应用中的性能表现。目前国内对于基于层状铋系压电体压电催化剂的主要制备方法有两种方法：固相法和水热法。

固相法：通过固相法制备出了Nb5+掺杂的Bi7Ti4.5xNbxW0.5O21（BTWBITxNb，0.00≤x≤0.50）共生铋层状结构压电陶瓷和BNTFC、BaTiO3、La0.8Sr0.2MnO3陶瓷靶材［4］。

水热法：采用水热合成法制备掺杂不同物质的量的Sm的片层状K4Nb6O17光催化剂和Pb（Zr0.52Ti0.48）O3（PZT）压电陶瓷粉体，并成功实现了较低温度条件下合成Ｎ掺杂Bi4Ti3O12纳米片为如何实现铋基氧化物材料的氮掺杂提供了一个新的思路［5］。这两种制备方法的优缺点见表2。

2.2.3基于纤锌矿的压电半导体

基于纤锌矿的压电半导体压电催化剂是一种结合了纤锌矿的压电性质与半导体催化效应的特殊材料。纤锌矿本身是一种锌的硫化矿物，具有独特的晶体结构和物理化学性质。而压电半导体压电催化剂则是一种能够在外加压力下产生形变并分离电荷，同时利用半导体特性进行催化反应的新型材料。国内关于基于纤锌矿的压电半导体基压电催化剂的主要计算方法有两种：共沉淀法和第一性原理计算法。

共沉淀法：主要基于溶液中的化学反应和沉淀过程。国内通过共沉淀法将Co9S8颗粒成功负载在CdS纳米棒上，制备出CdSCo9S8，并当中CdSCo9S8为10%时的性能最佳，约为CdS产氢率的16倍［6］，高效提高了催化性能。

第一性原理计算法：是一种基于量子力学原理的计算方法通过第一性原理计算法，系统地研究了纤锌矿型半导体在静水压力的作用下发生的一系列变化。并证实了第一性原理计算法在能带计算的结果上更加优于普通的密度泛函（DFT）方法［7］。这两种制备方法的优缺点见表3。

2.2.4超薄二维材料

超薄二维材料是一类非常重要的非金属聚合物，在能源和催化等众多领域中具有广泛且重要的用途。由于其独特的二维结构，材料具有更大的比表面积和更高的表面能，使得催化剂与反应物之间的接触更加充分，从而提高了催化效率。此外，压电效应能够利用机械能来调控材料的电子结构，进一步提高催化活性。

至今维持，超薄二维材料压电催化剂的主要制备方法主要由电催化法制备。

电催化法：是一种利用电能促使电化学反应发生的过程。国内对基于超薄二维材料的压电催化剂重点研究了应用电催化和铜基电催化剂制备出CO2RR生成一氧化碳（CO）的不同催化剂和不同尺度铜基双金属合金催化剂表面CO2电催化还原制备C1产物的反应机理，以期望达到调控设计CO2还原电催化剂的目标［8］。其制备方法的优点是低耗能，操作简易，缺点是反应速度慢，程度不均匀。

2.2.5金属有机物

基于金属有机物压电催化剂是一种结合了金属有机物的催化特性和压电效应的新型催化材料。这种催化剂利用了压电效应和催化效应相结合的原理，通过应变或压力引起压电效应，进而影响催化反应的速率和产率，金属有机物通常指的是含有金属离子或金属簇的有机化合物，它们在催化反应中能够展现出独特的活性和选择性，金属有机物与压电材料相结合，可以进一步拓宽催化剂的应用范围，提高催化效率。现如今，基于纤锌矿的压电半导体基压电催化剂的主要制备方法有两种：电化学活化法和微乳液法。

电化学活化法：可以通过原位或非原位电化学处理将惰性或弱活性物质转化为水系储能的高活性材料，国内采用电化学活化法对MOFs进行了原位修饰，通过Fe离子的引入，削弱了金属中心与配位水之间的化学键，加速了MOFs表面羟基化过程；通过密度泛函理论计算，Fe的引入调节了含氧中间体的吉布斯自由能，提高了电催化剂的本征活性［9］。

微乳液法：是通过两种互不相溶的溶剂在表面活性剂的作用下形成乳液，在微泡中经成核、聚结、团聚、热处理后得纳米粒子的方法。内通过可控合成了具有不同形貌的二维结构Fe（py）2Ni（CN）4（FeNiMOF），在1.0MKOH电解液中，FeNiMOF纳米盒表现出最佳的OER催化性能［10］。两种制备方法优缺点见表4。

3总结与展望

本文主要介绍了新型压电材料的制备方法，主要包括制备二维范德华过渡金属二硫属化物压电催化剂的化学气相沉积法和剥离法；制备层状铋系压电体压电催化剂的固相法和水热法；制备基于纤锌矿的压电半导体基压电催化剂的共沉淀法和第一性原理计算法；制备基于超薄二维材料压电催化剂的电催化法；制备基于金属有机物压电催化剂的电化学活化法和微乳液法，并论述上述制备方法的优缺点。

尽管新型压电催化剂制备方面取得了巨大成就，但在更广泛的领域应用和商业化之前，仍有一些问题需要解决：

（1）制备过程：压电催化剂还多是复合催化材料，材料之间的相互作用强度、原材料与添加剂之间的相容性和结合强度都可能会影响压电催化剂的物理性能、化学性能和机械强度。

（2）工艺改进：催化剂的制备通常在亚微米甚至纳米级，其工艺复杂。因此，很难大规模生产，需要开发更精密、更精细的处理技术。

（3）新材料和新技术：随着技术的发展，需要不断探索和开发新材料。只有当两者并行进行时，压电器件的性能才能提高，应用场的数量才能增加。

该综述可以为未来开发新型压电催化剂提供有用的参考，进一步提供对其制备过程的理解，还可能激发其他相关领域的工作，希望为未来开发更多新型压电材料做出贡献。

参考文献：

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［2］SinghG，SharmaM，VaishR.ExploringthePiezocatalyticDyeDegradationCapabilityofLithiumNiobate［J］.AdvancedPowderTechnology，2020，31：17711775.

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［5］蔡河山，黄芷，卓少春，等.Sm掺杂K4Nb6O17的制备及其光催化性能［J］.中国粉体技术，2016，22（4）：5861.

［6］张宁，冯靖书，杨倩倩，等.一维CdSCo9S8复合材料的制备及光催化产氢性能［J］.中国粉体技术，2021，27（3）：7379.

［7］苏迪.界面法制备二维材料及其应用研究［D］.青岛：青岛科技大学，2023.

［8］李欣蔚.不同尺度铜基双金属合金催化剂表面CO2电催化还原制备碳—产物的理论研究［D］.呼和浩特：内蒙古大学，2023.

［9］邹泽华.高活性金属有机框架基电催化剂的合成与析氧性能研究［D］.兰州：兰州大学，2020.

［10］成佳.MOFs基析氧电催化剂的制备及性能研究［D］.镇江：江苏大学，2022.

作者简介：何洋（2003—），男，汉族，山西忻州人，在读本科，研究方向：专业为能源与动力工程；王新展（2000—），男，汉族，山东菏泽人，硕士研究生，研究方向：化学链制氧技术。

*通讯作者：侯丽敏（1988—），女，汉族，内蒙古赤峰人，博士，讲师，研究方向：固废资源化及催化剂制备。