图/文：代宝莹 审核：寇佳慧

内建电场由于其可以促进催化剂光生载流子的分离而呈现出提高光催化性能的效应，在以前的研究工作中，所用的内建电场都是由无机铁电粉体，如ZnO，BaTiO₃和PMN-PT等产生。虽然光催化活性得到了很大的提高，但压电光催化复合粉体在实际应用中难以循环利用，一旦处理不当，就会对环境造成二次污染，这极大地限制了无机压电材料增强光催化性能走向实际应用。而有机铁电体具有优异的柔性、化学稳定性及机械性能，能够捕获生活中的机械能并将其转化为压电势。因此，有机压电材料产生的压电势对于促进光生载流子分离、提高光催化活性更具有前景。

图1. PVDF-TiO₂和PDMS-TiO₂薄膜在超声-光照（U-L）、搅拌-光照（S-L）及超声-无光（U-NL）条件下催化RhB（12 mg/L, 100 mL）的降解曲线（a），对应的一级反应速率随光照时间的变化（b）。

图2.内建电场增强光催化效率机理图。光照-超声条件下的复合薄示意图（a），PVDF-TiO₂薄膜变形，薄膜表面产生压电势并且促进TiO₂光生电子-空穴对分离（b），PDMS-TiO₂薄膜发生形变，没有压电势产生，载流子发生再复合（c）。

在此背景下，光电功能课题组将有机柔性压电PVDF与光催化剂进行复合，利用其在超声作用下产生的内建电场来显著提高光催化活性。实验结果表明在有机柔性压电PVDF产生的内建电场的作用下，PVDF-TiO₂薄膜的光催化效率提高了约55%，相应的一级反应速率常数（k）值增长了5.42倍（图1）。通过羟基自由基产生实验证明光催化活性的提高归因于内建电场对光生电子-空穴对的分离作用，作用机理如图2所示。此外，进一步的研究表明在超声作用下PVDF产生的内建电场对紫外光响应和可见光响应型的光催化剂具有普遍的增强作用。因此，从长远来看，这项工作为提高光催化效率开辟了一个新的研究方向。

详细内容参见Catalysis Science&Technology, 2017, 7, 5594-5601。

Greatly enhanced photocatalytic activity by organic flexible piezoelectric PVDF induced spatial electric field.pdf