近日，我院赵茹芳博士与扬州大学胡俊博士合作，在国际知名期刊Advanced Science（《前沿科学》）上发表新型壳中核纳米催化剂Au@BaTiO3在压电光催化CO2转化还原中的最新研究成果。论文题为“Enhanced Ferroelectric Polarization in Au@BaTiO3 Yolk-in-Shell Nanostructure for Synergistic Boosting Visible-Light-Piezocatalytic CO2 Reduction”（新型Au@BaTiO3壳中核纳米结构中增强的铁电极化用于协同增强可见光-压电光催化CO2还原）。扬州大学胡俊博士为论文第一作者，我院赵茹芳博士为共同第一作者，扬州大学于洪鉴博士、汪洋教授、韩杰教授以及中国地质大学（北京）黄洪伟教授为共同通讯作者，湖北师范大学为论文第二通讯单位。赵茹芳博士负责机理解释和理论计算部分。Advanced Science是Wiley出版社旗下综合性期刊、SCI中科院大类一区期刊，最新影响因子为14.4。
蛋黄-蛋壳纳米结构被广泛应用在生物和能源领域，然而结构本身的性能与稳定性冲突的问题仍然有待解决。研究团采用以钛酸钡为基底，金纳米粒子为活性中心组成的壳中核纳米结构催化剂（Au@BT）。并通过极化调节材料的内建电场以及界面电子相互作用，可以实现可见光和机械能协同催化CO2转化还原。研究表明，Au@BT壳中核材料在无牺牲剂的情况下表现出出色的压电光催化CO生成速率31.29 μmol g-1 h-1。实验和理论结果表明，独特的功能结构设计和增强的极化电场表现出优异的机械力敏感响应和超高的结构稳定性，从而提供丰富的等离子体诱导的界面电荷转移途径，加速光生电子从金纳米粒子向钛酸钡的转移。 更为重要的是，铁电极化电场的增强不仅是促进载流子迁移的强大驱动力，而且降低了CO2还原反应中关键中间体COOH*形成的能垒。密度泛函理论（DFT）计算结果表明，在CO2转化还原过程中，铁电相的BT比顺电相的BT具有更低的能垒。特别是，当对铁电相BT施加模拟压力时，能垒急剧降低（0.59 eV），这表明超声振动诱导的压电极化可以有效地激活关键中间体，促进CO2轻松还原为CO。这一观察结果也与CO2温度程序脱附（CO2-TPD）实验相一致，进一步表明由极化诱导电场的建立和增强，促进了CO2的还原。此外，Au NPs和BT之间的界面相互作用在BT的导带边缘附近创造了更多的可用态，可能增强了光生电子的产生。上述理论结果共同强调了增强的诱导极化电场和紧密的界面接触在高效吸附和激活CO2中的重要性，最终导致催化性能的显著提升。该研究为开发用于绿色能源转化的高性能、多响应催化剂开辟了优化结构设计和极化电场调控的潜力和深层次认识。
可见光和机械能协同催化CO2转化还原的示意图
BT表面CO2转化还原的反应机理及势能面图
论文信息：
Enhanced Ferroelectric Polarization in Au@BaTiO3 Yolk-in-Shell Nanostructure for Synergistic Boosting Visible-Light-Piezocatalytic CO2 Reduction
Jun Hu1, Rufang Zhao1, Jingren Ni, Wei Luo, Hongjian Yu,* Hongwei Huang,* Boyuan Wu, Yang Wang,* Jie Han,* and Rong Guo
Adv. Sci., 2024, 2410357. DOI:10.1002/advs.202410357
论文连接：https://doi.org/10.1002/advs.202410357
