西安工程大学郭雅妮团队综述：铋基光催化材料压电性能的研究进展
引言
随着工业快速发展和化石燃料的大量使用，能源短缺和环境污染成为人类面临的两大严重问题。光催化技术作为一种绿色、有效的高级氧化技术，在有机污染物降解和析氢反应等方面展现出巨大潜力。然而，光生载流子的快速复合限制了其催化效率。为了提高催化效率，压电催化作为一种新型高级氧化技术，因其能利用机械能促进电荷分离而受到广泛关注。铋（Bi）基材料作为一种兼具光催化和压电催化的新型半导体材料，展现出广阔的应用前景。文章基于国家自然科学基金项目、陕西省重点研发计划项目、西安航空学院科研基金项目等资助，综述了压电-光催化系统的组成和提高催化性能的基本机理，研究了增强Bi基压电-光催化材料的性能策略（元素掺杂、形貌调控、构建异质结等）。针对目前压电-光催化技术存在的挑战和发展前景，对Bi基光催化材料在环境及能源领域的发展前景进行了展望。
01、研究背景 能源与环境问题：随着工业化进程的加速，能源需求日益增长，同时环境污染问题也日益严重。开发清洁、可再生的能源以及有效的污染治理技术成为全球研究热点。 光催化技术的局限：传统光催化材料在光诱导下产生的电子-空穴对复合率高，导致光催化效率低下。尽管通过元素掺杂、形貌调控等手段有所改善，但光源和转移利用率低的问题仍未得到根本解决。 压电催化的兴起：压电催化利用机械能通过压电效应产生内部电场，有效分离自由载流子，延长其寿命，从而提高催化效率。与光催化结合形成压电-光催化体系，能够进一步拓宽光催化的应用领域。 铋基材料的潜力：铋基层状结构材料因其独特的层状结构、高化学稳定性和易合成性，在光催化和压电催化领域展现出稳定活性。然而，关于铋基压电光催化材料的设计和应用仍存在许多空白。 02、创新亮点 （1）多场耦合催化体系 本文创新性地提出了将光能和机械能耦合的压电-光催化体系，通过铋基材料同时利用光生载流子和压电效应，显著提高了催化效率。 （2）多元化改性策略 系统总结了元素掺杂、形貌调控、缺陷/空位工程和异质结构建等多种改性方法，以改善铋基材料的电学和光学性能，从而提高其压电光催化活性。 （3）具体案例分析 通过详细分析钨酸铋、钼酸铋、钒酸铋及卤氧化铋等典型铋基材料的压电光催化性能，展示了不同材料在特定条件下的高效催化能力。例如，Bi2WO6纳米片在振动下产生压电效应，有效促进制氢反应；BiOBr纳米片在光照和机械应力共同作用下，显著提高对布洛芬的降解效率。 （4）机理深入探索 结合实验数据和密度泛函理论计算，深入探讨了压电光催化的反应原理与路径。例如，通过DFT计算分析了氧空位对Bi4Ti3O12纳米片压电光催化活性的影响，揭示了氧空位在增强热力学吸附过程中的关键作用。 03、图文展示 图1 光催化、压电催化和压电-光催化机理的示意图 Fig.1 Schematic illustration of the mechanism of photocatalysis, piezocatalysis and piezo-photocatalysis 图6 (a)BVO和(b)BVO-U的XRD图案；(c)BVO和(d)BVO-U的SEM图像；(e)BVO和(f)BVO-U的TEM图像 Fig.6 XRD patterns of (a) BVO and (b) BVO-U;SEM images (c) BVO and (d) BVO-U;TEM images of (e) BVO and (f) BVO-U 图9 (a)XRD图谱；(B)晶体结构和晶面；(c)BiOCl的比表面 Fig.9 (a) XRD patterns,;(b) crystal structure and crystal facets ;(c) specific surface of BiOCl 图13 BiVO4晶体表面能带弯曲的能带图和电荷分离过程 Fig.13 Energy band diagram of surface band bending and the proposed charge separation process in t-BiVO4 crystals 图15 密度泛函理论计算：吸附在(a)BIT和(b)BIT-OV1上的O2的电荷差；(c)O2在BIT、BIT-OV1、BIT-OV2和BIT-OV3上的吸附能和(d)Bader电荷；(e)BIT和（f）BIT-OV 1上吸附的H2O的电荷差异；(g)H2O在BIT、BIT-OV1、BIT-OV2和BIT-OV3上的吸附能和(h)Bader电荷 Fig.15 Density functional theory calculations: Charge difference of O2 adsorbed on (a) BIT and (b) BIT-OV1;(c) The adsorption energies and (d) Bader charge of O2 on BIT, BIT-OV1, BIT-OV2, and BIT-OV3;Charge difference of H2O adsorbed on (e) BIT and (f) BIT-OV1;(g) The adsorption energies and (h) Bader charge of H2O on BIT, BIT-OV1, BIT-OV2, and BIT-OV3 图18 BVO/BFO异质结协同压电光催化过程图：(a)可能的压电光催化降解机理；(b)异质结的内置极化场加速电荷分离和转移 Fig.18 Collaborative piezo-photocatalytic process diagram of BVO/BFO heterojunctions: (a)Possible piezo-photocatalytic degradation mechanism;(b)built-in polarization field accelerated charge separation and transfer for the heterojunction 04、结论 （1）铋基材料的多功能性：铋基材料不仅具有优异的光催化性能，还展现出稳定的压电催化活性，通过光能和机械能的耦合，有效促进了有机污染物的降解。 （2）改性方法的有效性：元素掺杂、形貌调控、缺陷/空位工程和异质结构建等改性方法显著提高了铋基材料的压电光催化性能，为高效催化材料的设计提供了有力支持。 （3）未来研究方向：尽管压电光催化技术展现出巨大潜力，但其催化机理仍需进一步深入研究。特别是机械振动频率对压电光催化活性的影响、压电场对内部能级的影响等方面，需要结合实验和理论计算进行系统探索。 引用本文 文章发表于《功能材料》2025年第56卷第12期，欢迎引用本文： 杜嘉菲,高占尧,郭雅妮,等. 铋基光催化材料压电性能的研究进展[J].功能材料. 2025, 56(12): 12035-12048. DU J F,GAO Z Y,GUO Y N,et al.Research progress on piezoelectric properties of bismuth-based photocatalytic materials[J].Journal of functional materials,2025,56(12):12035-12048.