网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

四川大学/香港理工大学/中南大学AFM: 构筑Mn‑O‑Sm原子桥接S型异质结:Na‑Sm共掺杂CaBi₂Nb₂O₉@Mn‑Cu‑Ni‑MOF压电‑光催化高效析氢

0
分享至



第一作者:Qiong Liu(刘琼)

通讯作者:Hang Luo(罗行)、Guoqiang Zou(邹国强)、Haitao Huang(黄海涛)

作者单位:四川大学等

论文DOI:10.1002/adfm.78469

全文速览

抑制光生电子‑空穴对复合是绿色化学领域实现高效能量转化的关键难题。本文将二维压电 Na‑Sm 共掺杂 CaBi2Nb2O9(NSC)纳米片与 Mn‑Cu‑Ni‑MOF 复合,制备得到共价键连接的 NSC@MOF 压电‑光催化 S 型异质结催化剂。得益于界面Mn‑O‑Sm 共价原子桥构建的电荷高速输运通道,结合压电材料受机械刺激产生的内建电场,该复合催化剂实现高达441.7 µmol g-1 h-1的力驱动光催化析氢速率,显著优于单一组分以及简单物理混合样品。实验表征结合理论计算证实:压电内建电场抑制光生载流子体相复合,Mn‑O‑Sm 界面桥打破界面电荷转移能垒,同时优化 H* 中间体吸附吉布斯自由能,促进水分解析氢反应。该工作为压电耦合光催化的可持续能源转化提供全新原子级界面工程策略。

背景介绍

太阳能驱动光催化分解水产氢是可再生能源领域的研究热点,但光催化体系长期受三大瓶颈制约:①光生电子‑空穴对快速复合,造成大量光子能量损耗;②界面电荷转移动力学缓慢;③表面氧化还原反应需要较高过电势。S 型(S‑scheme)异质结可以在实现空间电荷分离的同时保留载流子强氧化还原能力,是极具潜力的改性手段。另外,在异质结界面构筑共价/配位化学键,能够搭建弹道式电荷传输通路,大幅降低界面迁移能垒。层状钙钛矿 CaBi2Nb2O9(CBN)具备压电效应,Na‑Sm共掺杂后的CBN(NSC)可以获得更强压电系数,机械应力下产生强内建电场,实现载流子空间分离。但是目前绝大多数 MOF‑压电复合材料仅为物理接触,缺少原子级化学键电荷通道,电荷通路不连续、界面能垒高,严重限制压电‑光催化协同效应的发挥。因此,开发具有原子级化学键界面的压电 NSC@MOF S 型异质结,对提升压电‑光催化析氢性能具有重要意义。

本文亮点

亮点 1:原位构筑 Mn‑O‑Sm 共价原子桥接界面,搭建 “电荷运输高速公路”,大幅降低异质结界面电荷转移势垒,区别于传统物理接触复合体系。

亮点 2:压电效应与 S 型异质结协同耦合,压电 NSC 在外力下产生内建电场,有效抑制光生电子‑空穴体相复合,保留载流子强氧化还原能力。

图文解析


图 1 NSC@MOF 合成路线与微观形貌

研究团队首先通过熔融盐法制备 NSC 纳米片,再通过水热法在 NSC 表面生长 Mn‑Cu‑Ni‑MOF,得到NSC@MOF 异质结构。SEM、TEM 显示 MOF 纳米颗粒(20‑30 nm)均匀负载在 NSC 纳米片表面。


图 2 比表面积与界面化学键解析

XANES、EXAFS、XPS、小波变换分析证实,复合之后形成Mn‑O‑Sm 界面键,Mn‑O 键键长缩短,发生明显轨道杂化,直接证明原子级共价界面成功构建。


图 3 原位光照 XPS,判断电荷迁移方向

光照条件下 NSC 组分的 Bi、Ca、Nb 结合能正向偏移;MOF 组分 Mn、Ni、Cu 结合能负向偏移,直接证明光照下光生电子由 NSC 向 MOF 转移。


图 4 催化性能、DFT 理论计算、Bader电荷与态密度

压电‑光催化测试表明,NSC@MOF 析氢速率达441.7 µmol g-1 h-1,远高于单独压电、单独光催化性能之和,表现显著协同效应,7 轮循环性能保持稳定。物理混合样品活性远低于共价键合样品,证明 Mn‑O‑Sm 界面桥不可或缺。

DFT 计算显示,H吸附吉布斯自由能 ΔGh 由纯 NSC 的 + 0.55 eV 下降至NSC@MOF 的 + 0.16 eV;Cu、Ni 是主要 HER 活性位点。

差分电荷、Bader 电荷、PDOS表明,Mn‑O‑Sm轨道在费米能级附近高度重叠,强化轨道杂化,构筑高效电荷输运通道。


图 5 PFM 与 KPFM 压电表面电势表征

PFM 测试证实材料具备铁电/压电翻转特性;KPFM 观测到明显表面电势差。光照后表面电势发生变化,说明光生载流子会对压电极化电场产生屏蔽效应,该过程促进光生载流子有效分离。


图 6 半导体电化学表征

Mott‑Schottky 证明材料均为 n 型半导体;EIS 阻抗显示 NSC@MOF 电荷转移阻抗最小;TRPL 荧光寿命证明异质结加快界面电荷抽取,抑制体相复合。


图 7 飞秒瞬态吸收 fs‑TAS 解析载流子动力学

NSC@MOF 拥有更长的载流子平均寿命(42.67 ps),快衰减组分缩短,慢衰减组分延长。说明 Mn‑O‑Sm 桥接 S 型界面既加速界面电荷输运,又有效抑制电荷复合。


图 8 XPS 价带、能带对齐与催化机理示意图

接触前后 XPS 证明界面发生电荷重新分布,确定为S 型异质结。在超声机械扰动 + 光照共同作用下,压电 NSC 产生内建电场驱动载流子分离;低氧化还原能力载流子在界面复合;高活性电子空穴保留;电子经由 Mn‑O‑Sm 原子桥高速输运至 MOF 表面活性位点,完成质子还原析出H2。

总 结

本工作通过熔融盐‑水热两步法,成功制备具有 Mn‑O‑Sm 共价原子桥的 NSC@MOF S 型压电‑光催化异质结。原子级界面通道解决压电‑MOF 复合材料界面电荷传输壁垒;压电内建电场与 S‑scheme 协同,大幅抑制光生载流子复合。催化剂表现出优异的力‑光耦合析氢性能。本工作证实原子界面工程耦合力‑光多场协同是提升催化效率的有效手段,为压电材料与 MOF 基复合能源催化剂设计提供新思路。

文献信息

标题:Piezoelectric‑Photocatalytic S‑Scheme Heterojunction in Na‑Sm co‑doped CaBi2Nb2O9@Mn‑Cu‑Ni‑MOF for Enhanced Hydrogen Generation from Water Splitting

作者:Qiong Liu, Ziwei Cao, Faqi Zhan, Zezhou Lin, Guoqiang Zou*, Hang Luo*, Chris R. Bowen, Haitao Huang*

作者单位:四川大学、中南大学、兰州理工大学、香港理工大学、巴斯大学

相关信息

本文主要由四川大学刘琼与香港理工大学黄海涛团队等合作完成,聚焦压电功能材料、压电‑光催化能源转化,致力于开发新型多场耦合催化材料。

版权声明

本文仅用于学术分享,转载请注明出处,如有侵权,请联系后台小编删除

【菲常新品】高通量催化剂制备反应检测系统:①全自动全流程智能化,从制备到检测一站式完成;②适配气固相非冷凝类反应(CO+H₂、合成氨等)。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐
热点推荐
WTT冠军赛:王楚钦终结者开门红!首局轰11-7,瑞典德比1-0领先!

WTT冠军赛:王楚钦终结者开门红!首局轰11-7,瑞典德比1-0领先!

刘姚尧的文字城堡
2026-10-27 19:48:30
我感觉其实不用再猜了,万斯大概率就是下一届美国总统。真要是他入主白宫,首当其冲的就是中国

我感觉其实不用再猜了,万斯大概率就是下一届美国总统。真要是他入主白宫,首当其冲的就是中国

扶苏聊历史
2026-10-26 17:56:12
长鑫存储硬气拒绝苹果:中国订单都接不完,不伺候

长鑫存储硬气拒绝苹果:中国订单都接不完,不伺候

凤凰网财经
2026-10-26 20:01:52
实不相瞒,当今世界拥有能力打一场高科技战争的国家,只有俩国家

实不相瞒,当今世界拥有能力打一场高科技战争的国家,只有俩国家

咸鱼金脑袋
2026-10-27 02:44:03
吃中国饭,砸中国锅?姆巴佩,不配!

吃中国饭,砸中国锅?姆巴佩,不配!

极目新闻
2026-10-27 11:28:33
文学史上最神的比喻,网友:我穷极一生也写不出来这种句子!

文学史上最神的比喻,网友:我穷极一生也写不出来这种句子!

夜深爱杂谈
2026-10-19 10:54:11
一位普林斯顿博士投了2300份简历,找不到任何工作

一位普林斯顿博士投了2300份简历,找不到任何工作

老郭在学习
2026-10-27 16:04:28
愤怒,媒体声明:皇马球员姆巴佩发言涉及对中国和中国人民的伤害,我们不能进行翻译

愤怒,媒体声明:皇马球员姆巴佩发言涉及对中国和中国人民的伤害,我们不能进行翻译

尘语者
2026-10-27 09:42:42
毕业才懂:大学里能入党的人,为什么总是那一小撮

毕业才懂:大学里能入党的人,为什么总是那一小撮

一口娱乐
2026-10-27 09:45:23
国际油价26日下跌

国际油价26日下跌

新华社
2026-10-27 03:40:03
莱昂纳德左膝肿胀至少缺阵一周,无缘本季重返直觉巨蛋

莱昂纳德左膝肿胀至少缺阵一周,无缘本季重返直觉巨蛋

温柔且自由
2026-10-28 00:33:00
建议淘汰,广东队惨败上海,三人应立刻离队,徐杰被打成筛子

建议淘汰,广东队惨败上海,三人应立刻离队,徐杰被打成筛子

宗介说体育
2026-10-27 10:26:15
你的孩子可能一直生活在恐惧中,而你毫无察觉!

你的孩子可能一直生活在恐惧中,而你毫无察觉!

夜深爱杂谈
2026-10-10 20:45:49
你在公司捞过的最大油水是什么?网友:车在我名下,老板跑路了

你在公司捞过的最大油水是什么?网友:车在我名下,老板跑路了

夜深爱杂谈
2026-10-26 21:11:13
骑士不太对劲!去登化不是保护哈登,三座大山证明阿特金森在玩火

骑士不太对劲!去登化不是保护哈登,三座大山证明阿特金森在玩火

老梁体育漫谈
2026-10-28 00:41:56
真的来了!苹果又发布两款 Pro 新品,这次价格良心了

真的来了!苹果又发布两款 Pro 新品,这次价格良心了

XCiOS俱乐部
2026-10-27 21:28:20
2-2!国安亚冠惜平全北现代,杜齐亚克建功,王刚进球刷新纪录

2-2!国安亚冠惜平全北现代,杜齐亚克建功,王刚进球刷新纪录

硬腿子聊个球
2026-10-27 22:09:10
博主:南通支云冲超后,外援方面将在中卫和前腰位置进行引援

博主:南通支云冲超后,外援方面将在中卫和前腰位置进行引援

懂球帝
2026-10-28 00:08:14
造型像火箭!特斯拉休斯顿Robotaxi服务范围扩至10倍,面积是Waymo的5倍

造型像火箭!特斯拉休斯顿Robotaxi服务范围扩至10倍,面积是Waymo的5倍

IT之家
2026-10-27 09:08:14
气泡膜寄显卡,为什么会悄悄毁掉你的GPU?

气泡膜寄显卡,为什么会悄悄毁掉你的GPU?

野生运营
2026-10-26 23:20:36
2026-10-28 01:04:49
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
3079文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

M6芯片版14英寸MacBook Pro:15999元起

头条要闻

光明日报批姆巴佩:不容侮辱中国已故伟大领袖

头条要闻

光明日报批姆巴佩:不容侮辱中国已故伟大领袖

体育要闻

世界上最无趣的前锋,拿下了金球奖

娱乐要闻

芒果遇到厉娜和许飞笑发财了!

财经要闻

订单越厚,账单越重:算力租赁的杠杆游戏

汽车要闻

纯电续航1003km 大五座SUV腾势N8正式开启预订

态度原创

本地
时尚
房产
教育
数码

本地新闻

十月奔赴迪庆,解锁梅里日照金山

尹佳恩:世界尚未给出答案

房产要闻

从全国第一跌到第七!海南人,放下生娃焦虑!

教育要闻

拒绝老师包办!树德这群高中生,自己办了一台学校大型晚会

数码要闻

苹果发布搭载M6芯片新款iMac:售12499元起

无障碍浏览 进入关怀版