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北科大白洋AFM:异价离子掺杂,选择性增强BaTiO3光催化性能

利用压电催化减轻水污染和生产清洁能源能够有效缓解环境和能源问题。近年来,许多铁电材料已被开发成为有效的压电催化剂,如BaTiO3(BT)、BiFeO3、Na0.5K0.5NbO3和PbTiO3。然而,到目前为止,压催化的反应速率仍未达到理想水平,这严重限制了其实际应用。on>


基于此,北京科技大学白洋课题组提出了一种基于异价离子(Li+和La3+)掺杂的策略,通过协同压电光电子效应和能带结构调制来显著提高BaTiO3催化活性。
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在0.01 Li掺杂BaTiO3和0.02 La掺杂BaTiO3纳米片中,由于光吸收增强,在超声和光同时辐照下,析氢速率分别高达3704 μmol g-1h-1和3178 μmol g-1h-1,分别是纯BaTiO3的4.6倍和3.9倍。
此外,通过选择施主或受主掺杂和控制能带结构可以显著增强催化剂对特定污染物的作用。与纯BaTiO3相比,0.01 Li掺杂的BaTiO3对甲基蓝和孔雀石绿等阴离子染料的催化活性较高,降解速率分别达到0.067 min-1和1.379 min-1,而0.02 La掺杂的BaTiO3对罗丹明B和甲基橙等阳离子染料的催化性能较好,降解速率分别达到0.274 min-1和0.029 min-1
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异价离子的掺杂不仅降低了催化剂的禁带宽度,扩大了光吸收范围,而且通过引入缺陷,大大抑制了光生载流子的复合。此外,光和超声同时作用在催化剂中产生光生电荷和压电极化场,压电场可以有效地促进光生电子和空穴的分离和迁移。在BaTiO3晶格中掺杂杂价离子Li+和La3+有效地改变了BaTiO3晶格的能带结构,导致电子和空穴的不同还原和氧化倾向。
对于Li-BT,CB位置比纯BT位置更为负,因此它在正极化表面产生活性自由基的能力更强,从而表现出对吸附在正极化表面的阴离子染料具有更好的催化性能。类似地,VB在La-BT中的位置与BT相比更正,使其在负极化表面上产生反应性自由基的能力更强,因此对吸附在负极化表面上的阳离子染料显示出更好的催化性能。
Selective Enhancement of Photo-Piezocatalytic Performance in BaTiO3 Via heterovalent Ion Doping. Advanced Functional Materials, 2022. DOI: 10.1002/adfm.202209365




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