“自然界中，藤蔓植物可以通過自身螺旋結(jié)構(gòu)的伸縮變形，來抵御風(fēng)吹而不受損傷。從這里我們受到啟發(fā)，設(shè)計了壓電-光催化復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)。”代寶瑩博士說，“我們制備的是像彈簧一樣螺旋結(jié)構(gòu)，只是彈簧換成了壓電材料和催化劑的復(fù)合材料，從而實現(xiàn)了內(nèi)建電場的自修復(fù)，并持續(xù)增強光催化性能的提高。”日前，南京工業(yè)大學(xué)陸春華教授、寇佳慧副教授團隊同東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦教授團隊合作的這一研究成果，發(fā)表在AdvancedFunctionalMaterials(《先進(jìn)功能材料》)期刊上。

如今，環(huán)境污染和能源危機的加劇使光催化材料技術(shù)備受矚目，目前光催化技術(shù)大規(guī)模應(yīng)用存在的主要問題在于其較低的光催化效率，其中光生載流子(即光催化劑在受到光的激發(fā)作用下產(chǎn)生的電子和空穴)分離效率是決定光催化劑活性的關(guān)鍵因素之一。為了促進(jìn)光生電子-空穴對的分離，研究者開發(fā)了很多的改性方法，其中構(gòu)筑內(nèi)建電場被視為提高光催化活性的有效方法(我們一般說的內(nèi)建電場指的都是靜態(tài)內(nèi)建電場，半導(dǎo)體材料的內(nèi)建是指材料自身晶體結(jié)構(gòu)導(dǎo)致的電場，一般是定向的，且電場大小不變)。然而，靜態(tài)的內(nèi)建電場很容易被內(nèi)部和外部電荷所屏蔽，削弱其對光催化性能的增強作用。

“自然界中生物具有的自愈系統(tǒng)可以幫助其抵御外界的損傷或攻擊，如果賦予光催化劑內(nèi)建電場較強的自修復(fù)能力，那么光催化劑的活性及耐久性將得到顯著提高。”據(jù)論文第一作者、南京工業(yè)大學(xué)代寶瑩博士介紹，藤蔓植物可通過自身螺旋結(jié)構(gòu)的伸縮變形抵御風(fēng)吹而不受損傷，那么將壓電材料(即：當(dāng)材料受到外力作用時會在材料表面產(chǎn)生電勢的材料)設(shè)計為螺旋結(jié)構(gòu)，將有利于其在風(fēng)、水流等自然流體介質(zhì)作用下發(fā)生變形產(chǎn)生壓電勢(指在外力作用下壓電材料表面產(chǎn)生的電勢)，從而提供能量，驅(qū)動自修復(fù)內(nèi)建電場，自修復(fù)內(nèi)建電場則可以有效避免內(nèi)部和外部電荷的屏蔽。

“上面說到的光生載流子分離效率，是指光生電子-空穴對分離的百分比。舉個例子，比如光激發(fā)后產(chǎn)生100個電子-空穴對，但是有30個得到了有效的分離并參與光催化反應(yīng)，其他的都復(fù)合或以其他的形式把能量釋放掉了，載流子的分離效率就是30%。”代寶瑩說，“我們的工作就是在催化劑復(fù)合體系里面引入壓電勢，驅(qū)動電子和空穴的有效分離。”

基于此，南京工業(yè)大學(xué)陸春華教授、寇佳慧副教授團隊同東南大學(xué)趙遠(yuǎn)錦教授團隊合作，設(shè)計并構(gòu)筑壓電-光催化復(fù)合螺旋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了內(nèi)建電場的自修復(fù)，并持續(xù)增強光催化性能的提高。另外，通過瞬態(tài)光電壓技術(shù)及熒光光譜表征提供了自修復(fù)內(nèi)建電場促進(jìn)載流子分離的直接實驗證據(jù)。

該研究成果將可以用來降解水體里的有機污染物，如染料所致的污染，也可以用來降解家居裝修過程中產(chǎn)生的有機有害氣體，如甲醛等，另外，也可以用來分解水產(chǎn)生氫氣，用作氫氣能源的產(chǎn)生。