网易首页 > 网易号 > 正文 申请入驻

江苏大学李顺课题组Angew: 合金化策略提升Bi₂O₂(S₁₋ₓSₓ)二维材料压电催化合成H₂O₂性能

0
分享至



第一作者:邵伟博

通讯作者:李顺,张哲,赵锦柱

通讯单位:江苏大学,扬州大学,华南师范大学

论文DOI:10.1002/anie.1286149

全文速览

近日,江苏大学化学化工学院李顺教授团队联合扬州大学、华南师范大学等多家单位,在国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition》上发表了题为“Ultrasonically Driven Efficient H2O2 Production via Sulfur Alloying in Piezoelectric Bi2O2(S1-xSx) Nanosheets”的研究论文。该研究通过硫合金化策略,显著提升了二维压电材料Bi2O2Se的压电催化性能,在纯水/空气体系中实现了超声驱动高效H2O2合成,产率高达 4.8 mmol·g-1·h-1。研究同时揭示了动态应变介导的自调节催化新机制,为绿色化学合成和压电催化机理提供了新思路。

论文链接: https://doi.org/10.1002/anie.1286149

背景介绍

过氧化氢(H2O2)是一种重要的绿色氧化剂和潜在的能源载体,广泛应用于化学合成、环境修复、消毒及能源存储等领域。然而,目前工业H2O2生产仍高度依赖能耗高、污染重的蒽醌法,且后续的浓缩、储运过程存在显著安全风险。电催化与光催化虽为潜在替代方案,但分别受制于持续电力输入和太阳能转换效率低的问题。

近年来,压电催化作为一种新兴策略备受关注——它利用自然界普遍存在的机械能(如水流、振动等)驱动压电材料产生内建电场,从而引发氧化还原反应。然而,现有压电催化体系普遍存在载流子密度不足、表面反应动力学缓慢等瓶颈,严重制约了H2O2的产率。二维Bi2O2Se材料具备高迁移率和本征压电性,因而在压电催化领域具有极大优势。

本文亮点

1.硫合金化协同增强压电性、电荷传输及氧活化

研究团队通过将硫(S)部分取代硒(Se),在Bi2O2Se晶格中引入不对称畸变和电荷重新分布。硫的较小离子半径和更高电负性,增强了Bi–O键刚性、打破局域反演对称性,从而显著提升了压电系数、载流子浓度/迁移率及氧气活化性能,实现“一石三鸟”的协同优化。

2.优异的H2O2产率与稳定性

优化后的Bi2O2Se0.7S0.3在超声(220 W, 40 kHz)下,于纯水/空气中实现4.8 mmol·g-1·h-1的H2O2产率,较原始Bi2O2Se提升两倍以上,性能超越多数已报道的压电催化及光催化体系。催化剂经循环活性无衰减,且仅有微量金属溶出,证实其结构高度稳定。

3.揭示动态应变介导的自调节催化机制

研究首次提出,超声引起的周期性拉伸-压缩应变可动态调控关键中间体(*OOH)吸附能:压缩应变显著降低OOH形成能垒,拉伸应变则削弱H2O2吸附、促进产物脱附。这种动态切换将中间体稳定与产物释放解耦,突破了传统Sabatier原理的权衡限制,为设计高效机械响应催化剂提供了理论支撑。

图文解析


图1. Bi2O2(S1-xSx)纳米片材料的结构演化与元素分布

XRD图谱显示,硫取代后Bi2O2Se衍射峰连续向高角度偏移,证实晶格收缩;拉曼光谱中A1g振动峰从158 cm-1移动至170 cm-1,表明Bi–O键增强及局域对称性破缺。原子级HAADF-STEM图像显示Bi2O2Se0.7S0.3保持Bi2O2Se的对称性且结晶度优异,对应的原子级EDS元素扫描证实Bi、Se、S分布均匀,证明形成了均相固溶体。


图2. 压电催化H2O2产率及影响因素

压电催化性能测试表明,Bi2O2Se0.7S0.3产率最高,且非压电的TiO2及空白对照组远低于压电材料,证实了压电效应在催化中的主导作用。不同硫含量的样品表明进一步增加硫含量则活性下降。催化剂负载量、超声功率(100至220 W)和频率(20至120 kHz)的系统优化表明,压电催化活性随功率提升,且最优频率与理论共振频率(~138 kHz)高度吻合,进一步证实了压电效应在催化中的作用。Bi2O2Se0.7S0.3纳米片在超声(220 W, 40 kHz)下于纯水/空气中实现4.8 mmol·g-1·h-1的H2O2产率,超过多数已报道的压电和光催化体系。


图3. 原位谱学表征、同位素标记分析催化反应过程

不同气氛实验证实氧还原(ORR)为主导路径。在空气与纯氧条件下产率相当,凸显其实际应用优势。原位DRIFTS捕获到∙O2-(1094 cm-1)、OOH(1279 cm-1)和HOOH(1430 cm-1)特征峰,证实了O2逐步活化和H2O2形成过程。EPR自旋捕获检测到DMPO-∙O2-和DMPO-∙OH加合物,而同位素标记(H218O和18O2)结合LC-MS进一步证实,ORR路径对H2O2生成的贡献远大于水氧化路径。


图4. 电化学及压电特性研究

周期性超声下的瞬态压电电流显示Bi2O2Se0.7S0.3(~0.31 mA·cm-2)约为原始Bi2O2Se(~0.16 mA·cm-2)的两倍,且优于BaTiO3、ZnO等典型压电材料。EIS表明硫合金化降低了界面电荷转移电阻,而Mott–Schottky曲线显示硫掺杂及超声激励均可大幅提升载流子浓度。PFM蝴蝶形振幅回线和180°相位翻转证实了铁电性,且随着硫的引入压电性能也得到提升。有限元模拟显示,4%单轴拉伸应变下单个纳米片可产生约0.9 V压电电位,为电荷分离提供了驱动力。


图5. 理论计算揭示动态应变机制合成H2O2机理

DFT理论计算分析显示硫的引入显著提升了压电系数、载流子浓度/迁移率,降低了氧气活化势垒。此外,压缩应变增强了Bi–O键合强度(ICOHP值增大),有利于稳定含氧中间体。载流子迁移率在拉伸态最高,利于电荷输运;差分电荷密度和Bader电荷证实压缩应变将界面电子富集于活性位点。自由能图清晰表明压缩应变显著降低*OOH形成能垒(决速步)。最终,动态应变循环示意图展示了压缩促进活化、拉伸促进脱附的自调节过程,实现了对传统Sabatier原理的超越。

意义与展望

本研究通过硫合金化策略,在Bi2O2Se二维纳米片中协同优化了压电响应、载流子动力学和表面反应能垒,实现了高效、稳定、无需牺牲剂的超声驱动H2O2合成。所揭示的动态应变介导自调节机制为高效压电催化体系的设计提供了理论指导。

通讯作者介绍


张哲,2022年入职扬州大学物理科学与技术学院。研究方向为二维过渡金属化合物氧化机理及氧化性质研究;材料表面反应动力学及物理性质的密度泛函理论研究;以及光电催化方向相关的析氧反应,氧还原反应,合成氨反应的第一性原理计算,预测和设计性能优异的催化剂。迄今已在Nature Communications、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie、Advanced Materials、Water Research等国际知名学术期刊发表论文40余篇,其中5篇入选ESI高被引论文。


赵锦柱,本科毕业于南京大学物理系,先后在南京大学和比利时列日大学物理系取得凝聚态物理硕士、凝聚态物理博士学位。2013年-2019年于南方科技大学先后从事博士后以及研究助理教授的工作。2019年9月起入职华南师范大学物理学院任副研究员。主要研究方向为铁电、多铁材料中序参量的耦合及其相关物性的理论研究。迄今已在 Phy. Rev. Lett.、Phy. Rev. B.、Angewandte Chemie、Nat. Sci. Rev. Nano Lett. Adv. Mat. 等国际知名学术期刊发表论文50余篇.


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。主要研究方向为低品位热能/机械能-化学能转换及催化应用。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。

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
他在战争年代的职务高于十大将,为何授衔仅为上将,难道只是因为不具备代表性?

他在战争年代的职务高于十大将,为何授衔仅为上将,难道只是因为不具备代表性?

大运河时空
2026-09-05 15:10:03
46岁董洁1年5部戏加直播养1大家子,憔悴得让人心疼

46岁董洁1年5部戏加直播养1大家子,憔悴得让人心疼

南万说娱26
2026-08-28 09:40:39
“养条狗都比你强!”老公主在雨中崩溃痛哭,评论区里没有一点同情!

“养条狗都比你强!”老公主在雨中崩溃痛哭,评论区里没有一点同情!

林林先生
2026-09-03 11:14:07
《街霸》电影春丽演员苦练大腿!每天狂吃12个鸡蛋

《街霸》电影春丽演员苦练大腿!每天狂吃12个鸡蛋

3DM游戏
2026-08-29 11:32:21
周末信息如何影响市场?明天是红色星期一?还是黑色星期一?

周末信息如何影响市场?明天是红色星期一?还是黑色星期一?

春江财富
2026-09-06 09:39:34
《交锋》躲过31岁周依然,47岁齐欢、27岁邱天,被54岁吴越惊艳

《交锋》躲过31岁周依然,47岁齐欢、27岁邱天,被54岁吴越惊艳

宇林网络
2026-09-06 09:30:31
一个“搞定”牙痛、牙齿松动的古方,两味中药,保护你的牙齿健康

一个“搞定”牙痛、牙齿松动的古方,两味中药,保护你的牙齿健康

神希园
2026-08-29 12:05:08
悲催!在韩遇难女留学生的国内男友,终究没能去成韩国,连最后送别,都成了他遥不可及的奢望

悲催!在韩遇难女留学生的国内男友,终究没能去成韩国,连最后送别,都成了他遥不可及的奢望

火山詩话
2026-09-06 06:17:32
逃到海外3年,丁玉梅再迎噩耗,原来许家印还给她留了一张底牌

逃到海外3年,丁玉梅再迎噩耗,原来许家印还给她留了一张底牌

乐天闲聊
2026-08-27 09:53:36
海航双胞胎姐妹花空姐,同时怀孕了

海航双胞胎姐妹花空姐,同时怀孕了

微微热评
2026-09-03 12:18:33
林肯号女兵上岸,这5天太疯狂!

林肯号女兵上岸,这5天太疯狂!

音乐时光的娱乐
2026-09-06 11:08:15
1979年那场仗,中国人叫“自卫反击”,可越南人把这口气憋了47年,憋到近年才有人敢说实话

1979年那场仗,中国人叫“自卫反击”,可越南人把这口气憋了47年,憋到近年才有人敢说实话

扶苏聊历史
2026-09-04 13:53:44
何应钦与冈村宁次是同学,受降前一晚,何应钦特意派人传话,暗示冈村仪式上不要随身带军刀,免得当众缴刀颜面尽失,对老同学脸面颇为照顾

何应钦与冈村宁次是同学,受降前一晚,何应钦特意派人传话,暗示冈村仪式上不要随身带军刀,免得当众缴刀颜面尽失,对老同学脸面颇为照顾

扶苏聊历史
2026-09-04 16:28:57
德甲最新积分战报:拜仁爆冷丢分,多特奇迹翻盘,门兴惨遭逆转绝杀,勒沃库森4球狂胜

德甲最新积分战报:拜仁爆冷丢分,多特奇迹翻盘,门兴惨遭逆转绝杀,勒沃库森4球狂胜

足球狗说
2026-09-06 07:48:31
女篮世界杯一夜三大冷门!日本三分27中3惨败德国:非洲霸主被掀翻

女篮世界杯一夜三大冷门!日本三分27中3惨败德国:非洲霸主被掀翻

篮球快餐车
2026-09-06 03:15:14
只换一人,利物浦从地狱到天堂!伊劳拉神换人,让全英超看呆了

只换一人,利物浦从地狱到天堂!伊劳拉神换人,让全英超看呆了

日常万物志
2026-09-06 07:18:03
华为三折叠预订半小时秒光!网友:这不是手机,是“电子茅台”

华为三折叠预订半小时秒光!网友:这不是手机,是“电子茅台”

国货
2026-09-05 09:58:42
加速统一!重要机构成立,赖清德束手无策,美国一反常态保持沉默

加速统一!重要机构成立,赖清德束手无策,美国一反常态保持沉默

音乐时光的娱乐
2026-09-06 13:51:42
1000万欧!身价超国足!史上最强U23诞生,他们才是冲击2030年世界杯的希望

1000万欧!身价超国足!史上最强U23诞生,他们才是冲击2030年世界杯的希望

篮球圈里的那些事
2026-09-05 18:07:58
冯坤与丈夫率领泰国以3-2战胜中国女排!冯坤辞去体育总局排管中心行政职务,去泰国成为一线教练

冯坤与丈夫率领泰国以3-2战胜中国女排!冯坤辞去体育总局排管中心行政职务,去泰国成为一线教练

开成运动会
2026-08-31 15:33:02
2026-09-06 15:43:00
热质纳能 incentive-icons
热质纳能
传热、传质、纳米、能源
2955文章数 78关注度
往期回顾 全部

科技要闻

DeepSeek被曝将采购16万颗华为昇腾950DT

头条要闻

马克龙42岁继女爱上小20岁男友 上演妈妈的忘年恋剧情

头条要闻

马克龙42岁继女爱上小20岁男友 上演妈妈的忘年恋剧情

体育要闻

本西蒙斯加盟国王,不管怎样,回来就好

娱乐要闻

低调富养!郭富城两女儿入读香港名校

财经要闻

亏损高达200亿,昔日彩电霸主走下巅峰!

汽车要闻

带升降立标MPV 岚图梦想家9预售价42.99万起

态度原创

家居
本地
亲子
公开课
军事航空

家居要闻

2026建博会(广州) 公装联探展交流活动

本地新闻

扒完小作文,富豪们私藏的度假胜地有多绝

亲子要闻

北京经开区托育综合服务中心开园,开设2-3岁全日托服务

公开课

李玫瑾:为什么性格比能力更重要?

军事要闻

美伊互袭油轮 伊朗军方称或对美进行更大规模打击

无障碍浏览 进入关怀版