研究背景：

太阳能驱动的光催化制氢技术为推动全球能源转换和脱碳提供了一种方法。与水裂解相比，涉及生物质重整的光催化制氢近期被证实了可以实现对光生载流子更有效的利用。然而，较低的太阳能转换效率限制了光催化技术的实际应用。其中一个主要原因是太阳光中占比较高(>50%)的低能光子难以直接引发光催化反应生成氢气。光热材料作为一种有效的宽光谱太阳能吸收途径，可以有效地将红外光转化为热，其光热转换效率可以轻松超过85%。温度升高通常会加速光生载流子迁移、反应物的传质和吸附-解吸速率。但该策略不能促进载流子的生成，并且会增加载流子的碰撞概率。热释电场作为一种有效的光生载流子分离策略，可以调控载流子的定向迁移，缓解高温对载流子碰撞概率的负面影响，但载流子的分离效率仍然有限。在热释电效应中，第二热释电和第三热释电都是由材料的热膨胀变形引起的压电效应，证实了压电可以与热释电有效耦合。现有研究通常采用超声驱动的压电效应和外部加热驱动的热释电效应来提高光催化效率，会消耗大量能量。因此，有必要构建一种易于提高光催化性能的压电-热释电光催化复合材料进行实际应用。

成果简介：

近日，必威官方网西汉姆官方许仲梓/陆春华/寇佳慧教授团队报道了一种磁驱动PVDF/Fe₃O₄@g-C₃N₄（PVFC）螺旋微马达，可以轻松实现压电和热释电之间的协同耦合作用，有利于增强光生载流子在高温下的定向迁移。在有压电效应和热释电效应的存在的情况下，PVFC螺旋微马达的生物质葡萄糖重整产氢量为42.3 μmol/h，相较于无压电效应的纯水分解体系提高了31.9倍，常压下的平均表观量子产率可达12.6 %。此外，光致发光和变温电化学实验表明，压电-热释电耦合可以促进光生载流子的分离。同时，COMSOL模拟和开尔文压电力显微镜（KPFM）测试表明，压电-热释电效应增强了样品的内建电场。螺旋微马达可以轻松实现压电和热释电效应的协同作用，为增强内建电场从而促进光催化生物质重整制氢性能提供了有效的策略。

相关成果以“Constructing magnetically propelled piezoelectric and pyroelectric bifunctional micromotors to boost the photocatalytic H₂ production involving biomass reforming”为题，发表在《Nano Energy》(论文期刊号：Nano Energy 129 (2024) 110064  IF=16.8)上。

论文通讯作者为必威许仲梓、陆春华及寇佳慧教授，论文第一作者为必威官方网西汉姆官方大学必威博士生魏慧敏。该研究工作得到了国家自然科学基金、江苏省高等学校自然科学基金、江苏省研究生科研与实践创新项目和江苏省高等学校重点学科发展项目等项目支持。

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.110064

图文速递：

图1. (a)样品的XRD图谱，(b)红外光谱，(c)紫外-可见-近红外光谱; (d)热氧化蚀刻后g-C₃N₄的FE-SEM图像和(e)TEM图像; (f) PV， (g) PVDF/Fe₃O₄， (h) PVFC样品的FE-SEM图像。插入图像为LR-FESEM图像; (i) PVFC的EDS元素映射图像。

图2. PVFC螺旋微马达的XPS光谱。(a) XPS测试总谱; (b) C1s， (C) N1s， (d) O1s， (e) F1s， (F) Fe2p 的核级谱图。

图3. (a)葡萄糖浓度为0.05 ~ 5 g/10 mL时，PVFC螺旋微马达光催化制氢量。(b) PVFC螺旋微马达在氙灯照射和搅拌条件下光催化反应1 h和3 h时的甲酸含量。(c)不同转速条件下样品的压电光催化制氢量。(d)样品在不同光催化反应条件下的温升图。(e)有或没有氙灯照射、磁力搅拌和葡萄糖存在的样品光催化制氢量。(f)氙灯照射和磁搅拌条件下PVFC螺旋微马达光催化循环产氢。

图4. (a)高温荧光附件图及压电-热释电耦合荧光测试方法。(b) PVFC和 (c) PCFC在不同测试时间的荧光图。(d)热释电测试时的附件温升图。(e) PVFC和 (f) PCFC在折叠和温升下的荧光图。(g)压电-热释电耦合测试时的附件温升。(λex= 380 nm)。

图5. (a)光电流测试方法示意图。(b)不同搅拌速度下PV基薄膜的光电流。(c)不同搅拌速度下PC基薄膜的光电流。(d)电解液温升曲线。(e)不同温升条件下PC基薄膜的光电流。(f)不同温升条件下PV基薄膜的光电流。(g)搅拌和升温协同作用下PV基薄膜的光电流。

图6. (a) PVFC和PCFC薄膜样品进行KPFM测试时的条件示意图。(b) PCFC (c) PCFC-L (d) PCFC-P-L (e) PVFC (f) PVFC-L (g) PVFC-P-L。

图7. PVFC样品的COMSOL模拟。(a)剪切应力分布，(b)压电电势分布，(c)热释电电势分布，(d)压电和热释电协同电势分布。

图8. 磁驱动及全光谱太阳能条件下压电-热释电内建电场耦合光催化生物质制氢原理图。

结论：

综上所述，本文制备了一种双功能磁驱动微马达，以便于构筑协同耦合的压电和热电内建电场，显著提升了涉及生物质重整的光催化制氢效率。所制备的双功能螺旋微马达的光催化析氢效率比无压电-热释电效应的水分解析氢效率提升了31.9倍，常压下的平均表观量子产率可达12.6%。证实了光热和压电-热释电效应的耦合可以协同促进光催化生物质制氢。光致发光和变温电化学实验表明，压电-热释电耦合可以加速光生载流子的分离和转移。此外，COMSOL模拟和KPFM测试表明，所制备样品的压电-热释电效应可以增强其内建电场。本研究通过利用全光谱太阳能，有效促进了压电和热释电效应的耦合，提升了光催化生物质产氢效率，在缓解能源挑战方面具有巨大潜力。