一组研究人员最近在《高级科学》杂志上发表了一篇论文，展示了一种基于压电半导体的高效、环保的过氧化氢 (H 2 O 2 ) 生成方法。
研究： 利用碳量子点敏化的纳米压电材料的压电极化和光诱导电荷转移高效生产太阳能过氧化氢。 图片来源：Danijela Maksimovic/
成 H 2 O 2的现有方法H 2 O 2在废水处理、消毒和纺织品加工等多种应用中广泛用作氧化剂。H 2 O 2传统上通过蒽醌氧化以工业规模生产。然而，该生产方法由于产生大量废水和固体废物而导致环境问题。
由于存在爆炸的风险，通过混合氧气 (O 2 ) 和氢气 (H 2 )直接生产 H 2 O 2是不安全的。因此，必须开发新的方法来以可持续、成本效益和安全的方式生产 H 2 O 2 。
不同形貌和碳量子点修饰的 BaTiO 3 :Nb 的制备过程示意图。图片来源：Hedin, N et al., Advanced Science
通过基于半导体的光催化方法将O 2和水(H 2 O)转化为H 2 O 2是工业化生产H 2 O 2的可行途径。尽管开发了几种半导体光催化剂来生产 H 2 O 2 ，但由于反应动力学缓慢，这些催化剂通常会产生非常少量的 H 2 O 2 ，这需要确定用于光催化诱导和高效合成 H 2 O 2的新方法.
最近，压电材料在 H 2 O 2生产和水分解的氧化还原反应中作为催化剂获得了相当大的关注。压电催化剂通常是指非中心对称晶体，例如铁酸铋和钛酸钡 (BaTiO 3 )。然而，由于周期性地施加机械力和相关的压电势无法引发氧化还原反应所需的临界吉布斯自由能阈值，压电催化剂的反应速率较低。
H 2 O 2生成的新方法压电半导体中光电和压电效应的耦合是一种经过验证的有效方法，可提高一系列太阳能驱动反应的催化活性。当压电半导体受到光照射和机械能(如超声活化)时产生的压电势能调节光生电荷载流子的分离和迁移，与没有压电极化的光催化相比，这大大提高了催化能力，导致更高的 H 2 O 2产率。
然而，压电半导体的能带结构部分决定了压电光催化效率。
各种催化剂的结构和电子性质。a)四方BaTiO 3的晶体结构。b)纯碳、BaTiO 3、BaTiO 3 :Nb 和 BaTiO 3 :Nb/C的 X 射线衍射图。c) BaTiO 3、BaTiO 3 :Nb和BaTiO 3 :Nb/C的拉曼光谱。d)催化剂的漫反射紫外-可见吸收光谱。e) BaTiO 3、BaTiO 3 :Nb和BaTiO 3 :Nb/C的电化学莫特-肖特基曲线。f) BaTiO的能带结构3 和BaTiO 3 :Nb。图片来源：Hedin, N et al., Advanced Science
BaTiO 3由于其优异的压电性能而作为压电催化剂受到关注。然而，半导体的宽带隙使其不适合用作光催化剂。虽然用铌(Nb)和锰(Mn)阳离子掺杂块状BaTiO 3可以减小带隙宽度，但该方法也在相当程度上降低了压电极化强度。
适度的掺杂剂浓度通常有效地增强压电光催化和压电催化活性。然而，很少有研究集中在使用 Nb 掺杂的压电体在压电光电子效应下催化产生 H 2 O 2 。
碳基纳米粒子，例如尺寸为 2-10 纳米的碳量子点 (CQD)，在近可见区域具有强大的光学吸收特性。CQD 几乎专门用于有机染料光降解和作为光敏剂。尽管 CQD 在光催化中的作用仍未得到充分探索，但纳米粒子证明了它们在将二氧化碳光还原为甲酸方面的有效性。
负载 CQD 的 Nb 掺杂 BaTiO 3的合成、表征和评价在这项研究中，研究人员用 CQD 光敏剂合成了 Nb 掺杂的 BaTiO 3 (BaTiO 3 :Nb)，并评估了其在超声和可见光共辐照下压电光催化生产 H 2 O 2的有效性。
水热法和后退火法分别用于制备 Nb 掺杂的 BaTiO 3和未掺杂的 BaTiO 3样品。在未掺杂的 BaTiO 3样品合成过程中的唯一区别是去除了五氯化铌 (NbCl 5 )。另一种类型的 Nb 掺杂 BaTiO 3也通过相同的工艺使用油酸钠代替聚(乙二醇)(PEG)制备。
通过原位沉积方法将 CQD 加载到合成的 BaTiO 3 :Nb 样品中。CQD负载后以PEG为添加剂合成的BaTiO 3 :Nb催化剂命名为BaTiO 3 :Nb/C，油酸钠为添加剂合成的催化剂命名为BaTiO 3 :Nb-C。
场发射扫描电子显微镜和透射电子显微镜(FE-SEM 和 FE-TEM)、X 射线衍射(XRD)、压电响应力显微镜(PFM)、动态光散射(DLS)、电子顺磁共振(EPR)光谱、和拉曼光谱用于表征合成样品。使用基于稳态研究的压电设备模型的 COMSOL Multiphysics 5.4 进行有限方法计算。
空化压力为 10 8 Pa 的 BaTiO 3 a,b) 纳米棒和 c,d) 纳米颗粒表面的应变和压电势分布的有限元法模拟 。图片来源：Hedin, N et al., Advanced Science
H 2 O 2的催化生产将合成的 BaTiO 3 :Nb/C 和 BaTiO 3 :Nb-C 催化剂与玻璃瓶中的水-乙醇溶液混合并在黑暗中搅拌 10 分钟。然后在 40 千赫频率的超声波活化、波长超过 420 纳米的可见光照射以及超声波和可见光共同照射下进行催化反应，以研究压电、光和压电光催化反应分别产生H 2 O 2。随后，研究人员评估了整体水分解的光催化反应。
