江苏大学/中南大学Applied Physics Reviews综述: 铁电畴工程调控催化

第一作者：李顺

通讯作者：李顺/张馨月/张妍/张雨桥

通讯单位：江苏大学/中南大学

论文DOI：10.1063/5.0314319

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江苏大学李顺、张馨月、张雨桥与中南大学张妍等人在国际知名期刊《Applied Physics Reviews》上发表题为"Ferroelectric domain engineering for tunable catalysis"的综述论文。文章从铁电催化基本原理出发，系统阐述了铁电畴/畴壁在热催化、电催化及光/电催化中的作用机制，总结了单畴结构、畴图案化、畴壁构型及异质结构筑等前沿工程策略，并展望了该领域面临的挑战与未来方向，为下一代高效、智能铁电催化剂的设计提供了重要参考。

论文链接： https://doi.org/10.1063/5.0314319

背景介绍

铁电材料因其独特的自发极化及可在外电场作用下反转的特性，长期以来在驱动器、传感器、储能器件及非线性光学等领域得到广泛应用。近年来，铁电材料在催化领域展现出前所未有的应用潜力：其极化场可精准调控表面吸附行为、载流子分离动力学、反应能垒与选择性，以及界面相互作用等决定催化性能的关键因素。特别是铁电畴（domain）与畴壁（domain wall）作为材料内部极化取向的微观结构单元，为动态、智能调控催化过程提供了全新思路。然而，此前尚缺乏针对畴/畴壁工程在铁电催化中系统性的综述。

本文要点

要点一：铁电畴/畴壁调控催化的基本原理

文章指出，铁电畴可通过以下四种机制调控催化过程：

(1) 表面化学调控——极化诱导的表面电荷重分布可显著改变气体分子（如H2O、CO2、CH3OH）的吸附构型与吸附能；

(2) 反应势垒与路径调控——可翻转的极化方向能够重构表面电场与能带结构，选择性稳定特定中间体，降低决速步活化能；

(3) 电子结构与电荷传输调控——内建电场有效驱动载流子定向分离、诱导能带弯曲、优化表面氧化还原电位；

(4) 选择性氧化还原与表面沉积——畴面局域电荷异质性可引导金属纳米颗粒或助催化剂的选择性沉积。

要点二：极化调控的催化过程

文章系统梳理了铁电极化在三大催化体系中的应用：

(1) 热催化：以Pt/PbTiO3催化CO氧化为例，负极化面可通过静电限域稳定氧空位，降低反应温度，并展现出可调控的动力学行为；

(2) 电催化：铁电材料内建电场可优化催化剂/电解液界面电荷环境。例如，通过极化翻转可逆调控HER和OER活性，降低过电位，显著突破传统氧化物的Sabatier限制；

(3) 光/电催化：通过极化翻转可在光阳极与光阴极行为之间切换，并大幅提升光电流密度或光催化活性。

要点三：畴/畴壁工程策略

文章重点总结了四类畴工程策略对催化性能的增强作用：

(1) 畴取向效应：不同晶面取向（如BiFeO3的(001)、(110)、(111)）对应不同的剩余极化强度与能带弯曲程度，直接决定电荷分离效率与光电流大小；

(2) 畴壁作用：畴壁并非简单的结构边界，其独特的电子/离子输运性质使其成为高活性位点。例如，Bi2WO6薄膜中的头-头（H–H）与尾-尾（T–T）带电畴壁可分别富集电子与空穴，实现双功能光电极；

(3) 单畴构型：相比多畴结构，单畴构型可维持均匀、最大化的内建电场，显著降低体相与表面复合损失。单畴PbTiO3纳米片、BiFeO3纳米片在光催化水分解中均展现出远高于多畴对照样的活性。

(4) 铁电基异质结：将铁电体与助催化剂（如TiO2、RuO2、Au、SrTiO3）复合，可通过极化方向精确调控界面能带对齐与肖特基势垒。例如，在单畴PbTiO3表面选择性生长TiO2岛，可将空穴寿命从10-6 s延长至10-3 s，表观量子产率提升约578倍。

意义与展望

文章最后从四个维度提出展望：

(1) 可控畴构型材料：发展二维铁电体、外延超晶格等新型体系，实现畴壁密度、曲率及层级结构的原子级精准调控；

(2) 动态畴演化与原位表征：利用原位STEM、KPFM、AP-XPS等operando技术，揭示催化反应条件下畴翻转、畴壁钉扎/脱钉扎的实时动力学；

(3) 理论模拟与机器学习辅助设计：结合高通量DFT、相场模拟与物理信息神经网络，加速最优畴构型的逆向设计；

(4) 多场耦合与复杂反应拓展——将铁电催化从水分解、CO2还原等模型反应拓展至有机合成、生物质转化、固氮等化学过程，构建光/电/热/力多场响应的智能催化系统。

通讯作者介绍

李顺，江苏大学金山特聘教授。2007年获天津大学学士学位，2015年获得加拿大国家科学研究所（INRS）博士学位，曾任南方科技大学副研究员。主要研究方向为铁电/压电催化、低品位热能催化研究。以第一/通讯作者在 Nat. Catal., NSR, Catal., Angew. Chem. Int. Ed., Nano Lett.等国际知名期刊发表论文100余篇，被引用7000余次，h因子50。主持国自然面上项目、深圳市科创委重点项目、广东省粤澳科技创新联合项目等，授权国家发明专利20余项。获深圳市海外高层次人才，新加坡材料学会科研新星奖，入选2024年斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”榜单。

张妍，中南大学教授，博士生导师，粉末冶金研究院副院长，国家四青人才，国家科技重大专项首席科学家，中国材料研究学会理事，中国材料研究学会青年工作委员会理事，民盟中央青年委员，湖南省科技创新领军人才，湖南省“百人计划”青年人才，德国“资深洪堡学者”，欧盟“玛丽居里学者”，英国巴斯大学客座研究员，小米青年学者。长期致力于压电智能材料研发及其在传感、能量采集、医学和催化等应用研究。以第一作者/通讯作者在国际著名期刊Nature Communications、 Advanced Materials、Joule、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Functional Materials、Energy & Environmental Science、Chemical Society Review、Acta Materialia和Physics Report等发表近百篇论文。主持国家科技重大专项项目、国家重点研发计划课题、国家自然科学基金和湖南省重点研发计划等多个国家和省部级科研项目。出版中文著作1部、英文著作3部，获得授权国家发明专利20余项，国际专利1项，团体标准4项。获得2025年湖南省高等教育（本科）教学成果奖一等奖和2025年湖南省高等教育（研究生）教学成果奖二等奖等奖项。英国材料研究学会（IOM3）会员，材料研究学会新加坡分会（MRS-Singapore）会员，欧洲玛丽居里校友会中国分会会员。目前担任中南大学粉末冶金全国重点实验室和粉末冶金国家工程研究中心主办的Advanced Powder Materials的期刊编委。

张雨桥，江苏大学化学化工学院教授，硕士生导师。2019年毕业于日本北海道大学，获工学博士学位，2019-2021年入选日本学术振兴会（JSPS）特别研究员计划。目前从事氧化物热电材料、光电子材料和薄膜外延技术等方向的研究。已在Natl. Rev. Sci., Nature Commun., Phys. Rev. Lett, J. Mater. Chem. A, ACS Appl. Mater. Interfaces, Appl. Phys. Lett.等国际期刊发表SCI论文30余篇。2022入选江苏省“双创博士”人才项目。

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