本文亮点：

精确调控电荷载流子传输动力学是提升能量转换系统效率的关键。研究团队将BaTiO₃纳米线（压电陶瓷）与 TpPa（共价有机框架）共价键合，所制备的BaTiO₃@TpPa复合材料展现出优异的光与超声响应能力，电荷载流子转移和利用效率显著提高。得力于两者的协同作用，BaTiO₃@TpPa展现出33 mmol g^-1 h^-1的氢气生成速率和 9.39%的表观量子产率（420 nm），分别比纯光催化提高了 4.56 倍和 10.06 倍。这项工作提出了一种设计高效催化剂的有效策略，并突显了压电性在促进光氧化还原反应方面的潜力。

前沿：

2025年7月，Advanced Science杂志在线发表了汪勇教授团队在压电光催化领域的最新研究成果。该工作报道了压电陶瓷耦合共价有机框架在水分解制氢方面的潜力。

背景介绍：

压电效应与光催化的结合已成为加速载流子转移动力学，降低反应氧化还原电位的一种极具前景的方法。迄今为止，文献中报道的大多数压电光催化剂主要由无机材料构成。尽管这些材料已展现出更高的载流子转移效率，但其氧化还原性能往往因活性吸附位点不足和可见光吸收能力差而受到限制。在此背景下，具有大表面积和能带结构可调的共价有机框架（COFs）有望成为克服压电光催化系统局限性的一种高效材料。这项工作开发了一种BaTiO₃@TpPa核壳Z型压电光催化剂，赋予材料优异的压电与光响应能力，并探索了该材料在光催化水分解领域的应用潜力。

图表解析：

图1展示了BaTiO₃@TpPa复合材料的制备流程，并通过TEM图像验证其核壳异质结的形成，TpPa-COF壳层厚度为9.7 nm，表现出明显的包覆结构，同时EDS图表明Ba，Ti，N元素的均匀分布，验证了材料的成功合成。

图1. TpPa包封BaTiO₃纳米线的合成与表征。

a)TpPa包封BaTiO₃纳米线的合成过程示意图。b)BTW-40@TpPa的透射电子显微镜(TEM)图像c)BTW-40@TpPa的高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像。d)BTW-40@TpPa的高角度环形暗场像及其对应的能谱面分布图(EDS mapping)。比例尺均为100纳米。

图2验证了复合材料的能带结构，通过固体紫外可见漫反射吸收光谱，电化学测试以及紫外光电子能谱进一步证明材料的能带结构以及电子转移方向（从BaTiO转移至TpPa）。

图2. BaTiO₃、TpPa与BTW-40@TpPa的能带结构。

a)BTW-40@TpPa、BaTiO₃和TpPa的紫外-可见漫反射吸收光谱。b)TpPa和BaTiO₃的Tauc曲线（带隙分析）。c)TpPa和BaTiO₃的Mott-Schottky曲线（平带电势测定）。d)BaTiO₃的紫外光电子能谱(UPS)和价带X射线光电子能谱(VB-XPS)。e)TpPa的UPS 和VB-XPS谱图。f)对应能带结构示意图。

图3展示了材料的压电光催化活性，在超声和光超协同作用下，BTW-40@TpPa展现出最大压电光催化析氢速率，可达33 mmol g^-1 h^-1，在420 nm处的表光量子效率提高至9.39%，超过了文献报道的大部分光催化/压电光催化剂。同时循环测试表明材料在多次测试后仍具有很好的催化活性。

图3. 压电-光催化产氢性能。

a)BaTiO3、TpPa、BTW-20@TpPa、BTW-40@TpPa和BTW-60@TpPa的压电-光催化产氢时序曲线。b)纯光催化与压电-光催化的产氢速率对比。c)BTW-40@TpPa在光催化和压电-光催化条件下的表观量子产率。d)BTW-40@TpPa的压电-光催化产氢循环稳定性测试。e)BTW-40@TpPa与文献报道的典型光催化剂/压电催化剂的产氢性能对比。

图4通过光电化学测试以及飞秒瞬态吸收光谱研究材料的载流子传输动力学。结果表明，相较于单一的BaTiO₃和TpPa，BaTiO₃@TpPa表现出最低的电化学阻抗和光致发光强度，最强的光电流，进一步表明材料复合后，载流子分离和传输效率大大提高，有利于更多电子迁移至催化表面加速光催化水分解反应。

图4. 光电化学表征与载流子传输动力学。

a)BTW-40@TpPa在超声-光照协同作用下的电化学阻抗谱。b)BTW-40@TpPa在相同条件下的电流-时间曲线。c)BaTiO₃、TpPa与BTW-40@TpPa的光致发光(PL)光谱。d)TpPa的二维瞬态吸收光谱成像。e)BTW-40@TpPa的二维瞬态吸收光谱成像。f)TpPa在400nm激发下不同延迟时间的瞬态吸收光谱。g)BTW-40@TpPa在相同激发条件下的瞬态吸收光谱。h)TpPa在550 nm激子带的归一化瞬态吸收轨迹。i)BTW-40@TpPa在相同条件下的归一化瞬态吸收轨迹。

图5展示了材料的压电特性，结果表明BaTiO₃@TpPa具有明显的应力响应特性，在施加特定频率的机械力时，材料表现出明显的输出电流、电压以及转移电荷。进一步通过开尔文压电力显微镜测试了光照前后的表面电势变化，光照后材料表面的电势明显降低，表明极化电场对光生电荷分离的积极作用。

图 5. 压电响应特性分析。

a) BTW-40@TpPa 在不同作用力（恒定频率 = 1 Hz）下的压电输出电压。BTW-40@TpPa 在脉冲力（力 = 32 N，频率 = 1 Hz）作用下的压电输出b）电流和c）转移电荷。d) 光照（λ >420 纳米）下的 KPFM 测量装置示意图。e) BTW-40@TpPa 在黑暗和光照下的 KPFM 电位图像。f）BTW-40@TpPa 的相应表面电位曲线。

图6为压电电场与能带结构耦合增强载流子传输动力学的机理。在仅有光照存在的条件下，光响应TpPa产生的电子与空穴在体相内复合，限制光催化效率。当引入极化电场后，光生电子沿极化电场相反的方向运动，而空穴沿极化电场的方向运动，在该驱动力的作用下，电子空穴有效分离，提高产氢性能与太阳能利用效率。

图6. 电子转移机制示意图。

a)光催化过程。b)压电催化过程。c,d)压电-光催化耦合过程（展示极化场P0方向相反的两种情形）。

全文小结：

总之，针对压电催化中压电位不足和光催化中载流子传输动力学效率低下的局限性，成功合成了 BTW-40@TpPa 压电光催化剂，它具有优异的可见光收集和应力响应能力。TpPa 和 BaTiO₃ 之间的能带排列和共价键促进了 Z 型异质结构的形成，为电荷载流子转移提供了有效途径。此外，超声波产生的压电势可作为一种强大的驱动力，提高光激发电子的分离和利用效率。在这种协同作用下，水分解制氢率达到了 33 mmol g^-1 h^-1，表观量子产率为 9.39%，分别是纯光催化条件下的 4.56 倍和 10.06 倍。我们的研究展示了压电势与能带工程在设计高效催化剂方面的战略整合，通过协同利用太阳能和机械能，为能源转换提供了巨大潜力。

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/advs.202508062

来源：文献速递