壓電材料具有非中心對稱性的結(jié)構(gòu)，在外加機(jī)械力的作用下可誘導(dǎo)表面電荷的不對稱分布。表面富集的非平衡電荷能夠引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，在溫和條件下可實(shí)現(xiàn)水和氧氣分子的活化以及活性氧物種的產(chǎn)生，從而可實(shí)現(xiàn)能源小分子（O₂、H₂O、CH₄等）轉(zhuǎn)化，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)綠色化學(xué)合成的重要潛在反應(yīng)途徑。

近期，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所能源和環(huán)境催化材料課題組通過合理的催化反應(yīng)體系設(shè)計(jì)，制備出一系列具有壓電催化效應(yīng)的半導(dǎo)體材料，開展了壓電催化析氫、壓電催化生成雙氧水、壓電催化轉(zhuǎn)化甲烷等方面的研究工作，揭示了能源小分子在催化劑表面的活化機(jī)制和轉(zhuǎn)化反應(yīng)機(jī)理。該研究對推動利用自然界和人造震動能將含能小分子轉(zhuǎn)化為綠色能源具有重要意義。

在外加超聲作用下，超薄的MoS₂內(nèi)部能產(chǎn)生壓電場。隨著超聲能量的增強(qiáng)，材料內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)建電場作用增強(qiáng)，載流子分離效率提高，因此，當(dāng)超聲能量增加時，MoS₂產(chǎn)氫效率大幅提升。對MoS₂進(jìn)行電極性及表面極化修飾，不僅增加了材料表面的活性位點(diǎn)，使內(nèi)建電場分離的電子與H⁺在同一位點(diǎn)累積，進(jìn)一步促進(jìn)了產(chǎn)氫效率的提升，還能構(gòu)建空穴捕獲位點(diǎn)，促進(jìn)了載流子的分離，實(shí)現(xiàn)了約1250μmol·g^-1·h^-1的高產(chǎn)氫效率。這種壓電效應(yīng)與催化作用耦合的思想，為半導(dǎo)體催化以及納米能量轉(zhuǎn)換器件提供了新的解決思路，有望拓寬壓電材料在催化領(lǐng)域的應(yīng)用。相關(guān)研究成果發(fā)表于Journal of Materials Chemistry A 6 (2018) 11909‐11915。

利用壓電力顯微技術(shù)表征了BiOCl、C₃N₄等材料的壓電響應(yīng)，并通過相關(guān)金屬離子氧化還原反應(yīng)證實(shí)了這些材料的壓電催化活性位點(diǎn)。在空氣氣氛下，超聲BiOCl或C₃N₄的純水懸浮液可以分別得到28μmol/h和34μmol/h的H₂O₂產(chǎn)率，高于相應(yīng)的光催化過程所得H₂O₂產(chǎn)率，表明這些材料在壓電場下對氧氣分子具有更強(qiáng)的催化效應(yīng)，壓電催化反應(yīng)的效率具有進(jìn)一步應(yīng)用發(fā)展的潛力。相關(guān)研究成果分別發(fā)表于ChemSusChem 11 (2018) 527‐531和Journal of Materials Chemistry A 6 (2018) 8366‐8373。

利用羥基磷酸鈣HAp的壓電催化效應(yīng)，通過甲烷氧化與甲醇偶聯(lián)的串聯(lián)過程實(shí)現(xiàn)了甲烷向低碳醇的轉(zhuǎn)化。通過探針分子的吸附以及Au³⁺還原反應(yīng)，驗(yàn)證了超聲振蕩下HAp的作用機(jī)制為壓電催化而非超聲催化。在超聲振蕩下，HAp的表面感應(yīng)電荷能夠分別作為表面陰極/陽極引發(fā)電化學(xué)反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)甲烷、氧氣和水分子的活化，其中，氧氣和水分子活化后產(chǎn)生的羥基自由基可進(jìn)攻甲烷的C-H鍵使其轉(zhuǎn)化為低碳醇。HAp上甲烷的壓電催化轉(zhuǎn)化能夠獲得甲醇、乙醇、異丙醇產(chǎn)物，產(chǎn)率分別為84.4、43.2、9.6μmolg^-1h^-1，且沒有一氧化碳或二氧化碳的生成。該研究通過碳碳偶聯(lián)延長了甲烷轉(zhuǎn)化的反應(yīng)路徑，緩解了甲醇發(fā)生過度氧化的情況，同時提出了一個基于壓電催化的C1化合物升級思路。相關(guān)研究成果發(fā)表于Nano Energy, 79(2021) 105449‐105459。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金等的支持。

（a）甲烷在HAp上的壓電催化轉(zhuǎn)化示意圖；（b）超聲振蕩功率對轉(zhuǎn)化效率的影響；（c）HAp電滯回線與場致位移曲線