随着全球能源危机和环境污染的加剧，氢能等下一代绿色能源的发展受到广泛关注。太阳能驱动的整体水分解为H2和O2是产生绿色和可再生能源的理想方式。共价有机框架（COFs）作为一类新兴的有机多孔材料，具有有序的晶体结构和可设计性，在光催化应用领域显示出巨大的潜力。然而，由于缺乏足够的空穴氧化电位以及电子载流子的有效分离、传输和利用，目前的COFs及其异质结仍然难以有效地驱动整个水分解反应。理论上，通过应变或应力将极化电场等强驱动力引入光催化剂将显着提高其光生电子转移效率，进一步提高光催化活性。不幸的是，没有相关的研究报告并实现在COF异质结中将极化电场和光照有效结合，并用于整体水分解。
近日，济南大学的李魁、程新教授和华南师范大学的兰亚乾教授合作，通过共价键将COF和压电材料结合在一起，构建了高效的Z型异质结构压电光催化剂用于整体水分解。 受益于BiFeO3纳米片极化电位产生的内建电场和TpPa-1-COF丰富的活性位点的协同效应，有效的促进了载流子的分离和利用效率，最佳的COF-BFO20-C催化剂在超声振动和模拟太阳光照射的激发下，H2和O2的产率分别为1416.4和708.2 μmol·h-1·g-1，显着高于独立的TpPa-1-COF和BiFeO3。据我们所知，这是目前报道的基于TpPa-1-COF复合材料和压电材料中性能最好的催化剂。 为了进一步揭示压电效应对反应热力学的促进作用，作者通过在密度泛函理论计算中引入压电系数来研究OER和HER反应中所涉及的中间态的吉布斯自由能变化（ΔG）。当没有施加额外的电压时（U = 0 eV），引入极化电场的BiFeO3@TpPa-1-COF异质结具有最低的HER和OER吉布斯自由能变化值，结果表明，压电效应可以通过降低BiFeO3@TpPa-1-COF异质结构的反应势垒来有效地增强整体水分解性能。 最终，共价组装的BiFeO3@TpPa-1-COF核壳异质结在超声波和模拟太阳光照射的激发下表现出优异的氢气和氧气产率，该工作对于利用太阳能和机械能进行高效整体水分解具有重要的理论和应用价值。 论文信息 Piezo-Photocatalytic Synergy in BiFeO3@COF Z-Scheme Heterostructures for High-Efficiency Overall Water Splitting Mei-Ling Xu, Meng Lu, Guan-Ying Qin, Xiu-Mei Wu, Ting Yu, Li-Na Zhang, Kui Li, Xin Cheng, and Ya-Qian Lan Angewandte Chemie International Edition
