Angew. Chem.：小尺寸纳米铁电在超声振动下高效催化全解水产氢

来源：X一MOL资讯

全解水产氢产氧是能够解决能源短缺与环境危机的理想途径之一，其难点在于高效、稳定、廉价的催化剂的开发。自然界中存在着潮汐能、振动能等各种机械能，利用压电材料将机械能转化为全解水的动力是压电催化领域的研究热点，然而目前已报道的压电催化全解水产氢产氧效率都极其低，如何提高效率是一大挑战。

最近，河北科技大学李发堂教授团队合成了尺寸均一的10 nm钛酸钡纳米颗粒，通过压电力显微镜测试证明其不仅具有稳定的铁电特性，更为新奇的是10 nm钛酸钡纳米颗粒的机电耦合系数（d33）比200 nm的钛酸钡颗粒和钛酸钡纳米线的要高出近5倍。借助球差电镜进一步观测发现10nm钛酸钡具有多相共存（T+R+O）现象，朗道模型确定了多相共存降低了极化翻转的自由能进而提升了10 nm铁电纳米颗粒的压电性能。高的机电耦合系数可以诱导产生高的压电电势，经有限元模拟得出10nm钛酸钡的压电势能高达2.6 V，此值远超于水分解成氢气和氧气的最低势能（1.23 V）。而200 nm钛酸钡颗粒和钛酸钡纳米线的压电势能分别为0.5 V和1.2 V。

在超声振动下水溶液产生气穴效应时释放的压力作用于10 nm钛酸钡纳米颗粒，使铁电极化状态发生改变（增强或减弱），压力消失铁电极化状态恢复到初始状态。在铁电极化状态持续变化过程中，反应体系中的空间电荷会在铁电体表面进行吸附和脱附，释放的电荷对水进行氧化还原产出氧气和氢气。在60 kHz超声振动下，10 nm钛酸钡纳米颗粒分解水的产氢量和产氧量分别高达655 μmol g-1h-1 和316 μmol g-1h-1，而200 nm钛酸钡颗粒和钛酸钡纳米线则几乎不能够分解水产氢产氧。本研究不仅深化了对纳米铁电材料性能及作用的认识，为构建新型铁电催化剂及电学器件打下了基础，也为全解水产氢提供了新的催化剂。

相关结果发表在Angewandte Chemie International Edition上，文章的第一作者是河北科技大学青年教师苏然博士。