光催化技术经过50多年的发展，取得了显著的进步，并已广泛应用于多个领域，包括光催化产氢、光催化CO₂还原、光催化污染物降解等。然而，光催化反应中光生电子（e⁻）和空穴（h⁺）的快速复合问题，导致整体反应效率较低，使得光催化技术的产业化进程面临诸多挑战。为了解决这一问题，研究人员开始探索多场协同光催化技术，以提高光催化反应的效率和选择性。
多场协同光催化是指将光场与其他物理场（如电场、热场、磁场、压电场及等离子场等）结合，通过多场协同作用增强光生载流子的分离和传输，从而提高催化剂的活性和稳定性。在这些物理场中，压电场协同光催化因其显著提高载流子分离效率和催化活性而受到越来越多研究人员的关注。
自2010年王中林院士开创压电光催化技术以来[1]，该领域在十多年的时间里取得了快速发展。具有压电特性的半导体光催化剂能够同时吸收和转换机械能和太阳能，利用压电势和极化电荷为光生电子/空穴的迁移提供驱动力。压电极化电荷和感应压电势使压电半导体光催化剂中的光生电荷能够向特定方向迁移，促进它们的分离并减少复合。截至目前，压电光催化已在物理、化学、能源和环境科学等多个科学领域引起了极大兴趣，并被应用于氢气生产、CO₂还原、有机合成、生物应用、环境修复和小分子催化等多个方向。
图1 压电光催化图解
压电材料受到机械应力时，材料内部的晶格结构发生形变，导致正负电荷中心发生位移。这种位移会在材料的表面产生应变诱导极化并产生电荷，形成内建电场。常见的机械应力施加方式包括机械搅拌、外部加压和超声振动。超声清洗机通过提供超声振动，因其强度较高和可操作性强，被广泛应用于压电光催化中以施加机械应力。
压电光催化剂材料在沿不对称方向的机械拉伸或应变下，晶胞中正负电荷的中心发生位移，导致自发极化。因此，在两个相对的表面上产生正负电荷，从而产生内置电场。此外，产生的内建电场还可诱导固液界面处的能带弯曲，进一步提高催化活性。[2]例如，江海龙教授的研究团队通过水热法合成的MOFs材料UIO-66-NH₂(Hf)在超声波协同光催化条件下，产氢效率比UIO-66-NH₂(Zr)高2.2倍[3]。然而这两种MOF在没有超声波照射的光催化产氢表现出相似的活性。通过对比实验，研究明确指出UiO-66-NH₂(Hf)的压电效应是其在压电光催化中表现出更高活性的关键因素。通过原子力显微镜（AFM）的Kelvin探针力显微镜（KPFM）和压电响应力显微镜（PFM）模块，研究了两种MOFs的压电性质。结果显示，UiO-66-NH₂(Hf)的压电响应明显强于UiO-66-NH₂(Zr)。在光照射下，UiO-66-NH₂(Hf)的表面电位从54.4 mV降低到41.0 mV，表明内建电场促进了光生载流子的分离。此外，研究还优化了超声参数，发现200 W和53 kHz的超声条件能够最大化UiO-66-NH₂(Hf)的光催化效率。
图2 (a)不同条件下两种催化剂的光催化产氢速率，(b)不同超声频率下的UiO-66-NH₂(Hf) 产氢速率，(c)不同超声频率下UiO-66-NH₂(Hf) 的产氢速率，(d)超声功率200 W频率50 kHz条件下UiO-66-NH₂(Hf) 循环实验中的光催化制氢动力学曲线。
图3 (a)表面电位图像，(b)表面电位曲线，(c)压电响应相位滞后环，(d)UiO-66-NH₂（Hf）的振幅蝶形环。
除压电光催化外，压电场协同的电/光电催化近几年也受到研究人员的广泛关注，基于此，k8凯发(中国)科技创新性的开发了超声耦合电/光电解槽，这是行业内首个将压电场和电/光电催化深度融合的反应设备，为清洁能源、环境治理和绿色化学等领域提供了新的解决方案。
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压电催化反应实验的效率和效果受到多种因素的影响，主要包括压电材料的选择、催化剂的表面积和形态、机械应力的施加方式、反应条件以及外部环境（如超声频率和功率）和反应器设计等。压电材料的压电系数越高，产生的压电势越强，对光生载流子的分离和传输越有利。催化剂的高比表面积和合适的形态可以增加反应活性位点，提高反应效率。反应条件的优化，如适当的光照强度、反应温度和溶液pH值，可以进一步提高催化活性。此外，压电催化反应器的设计尤为重要，合理的反应器设计需满足以下条件：
◆ 应优化反应器内部物理条件，如温度、压力和传质，从而提高催化剂的活性和选择性；
◆ 应根据催化剂的分布、形状和尺寸确保催化剂和反应物之间要充分接触，以提高反应速率；
◆ 应选用稳定耐用的材料，保障长期的可靠性，因为反应器在运行中可能会遇到机械应力和化学腐蚀；
◆ 应考虑反应器从实验室到工业规模的可扩展性，这包括反应器的尺寸、材料成本和制造工艺等；
◆ 应包含有效的监控和控制系统，精确控制操作条件如温度、pH值和反应物浓度，确保反应在最佳条件下进行。
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[1] Yang Q , Guo X , Wang W ,et al.Enhancing Sensitivity of a Single ZnO Micro-/Nanowire Photodetector by Piezo-phototronic Effect[J].Acs Nano, 2010, 4(10):6285.
[2] Guo S L , Lai S N , Wu J M .Strain-Induced Ferroelectric Heterostructure Catalysts of Hydrogen Production through Piezophototronic and Piezoelectrocatalytic System[J].ACS nano, 2021, 15(10):16106-16117.
[3] Zhang C , Lei D , Xie C ,et al.Piezo-Photocatalysis over Metal–Organic Frameworks: Promoting Photocatalytic Activity by Piezoelectric Effect[J].Advanced Materials,2021,33(51):1
