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提升1016.7倍！南京工業大學最新AFM：自發手性轉變介導光催化薄膜蒸汽制氫

文章來源：新能源網更新時間：2025-09-04 15:16:39

研究背景

全球能源轉型的迫切需求推動了清潔能源技術的創新。氫能因其能量密度高、零碳排放及易存儲等特點，被視為實現全球能源變革的關鍵載體。在多種制氫技術中，光催化制氫技術憑借其可持續性與環境友好性受到廣泛關注。然而，光催化過程普遍受限于光生載流子的快速復合及長波長光子利用不足，導致太陽能轉化效率偏低。設計兼具光熱功能的光催化材料是一種有效的雙效解決方案：光熱轉換過程既可利用傳統未被充分利用的長波長光子；又能建立局部高溫區，同步降低光催化析氫過電位并再生催化活性位點；最重要的是，光熱效應能提升光生載流子遷移速率，促進電子-空穴對分離。但高溫在增強載流子遷移的同時也會加劇電子-空穴復合，可能削弱光熱效應帶來的增益。因此，需額外解決高溫條件下載流子遷移無序化問題，以進一步提升光催化制氫效率。

近年來，熱釋電效應因其能通過溫度變化產生自發內建電場，為電子遷移提供定向引導與驅動力，從而增強載流子分離與光催化效率的獨特能力，在光催化研究中備受關注。熱釋電效應可分為初級、次級和第三熱釋電效應：初級熱釋電源于溫度變化直接引起的極化改變；次級熱釋電指恒定應力條件下熱膨脹變形產生的壓電效應；第三熱釋電則通過非均勻溫度場形成應變梯度，借助壓電效應進一步增強極化響應。盡管現有研究已探索光催化中壓電-熱釋電耦合體系，但這些系統普遍需依賴外部機械場激活壓電性，如超聲空化和水流的剪切力。若能在無機械刺激條件下實現自發壓電-熱釋電耦合，將突破節能型光催化技術的瓶頸，消除對輔助能源輸入的依賴。

成果簡介

近日，南京工業大學陸春華/寇佳慧教授團隊報道了一種具有自發手性轉變功能的Janus結構壓電-熱釋電光催化薄膜，用于從揮發性有機物（VOC）水溶液的飽和蒸汽中制氫。該薄膜可受環境濕度與光熱效應雙重刺激（圖1）。Janus結構包含兩個功能層：（1）琥珀酸改性聚乙烯醇（S-PVA），這是一種具有顯著吸濕溶脹特性的水溶性聚合物；（2）鐵電聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物（P-H），可在光熱刺激或VOC吸附下發生膨脹。此外，為增強卷曲響應，研究在P-H層表面構建了精確的條紋圖案模板。在潮濕環境中，S-PVA層有效吸濕溶脹（琥珀酸提升了PVA層的耐水性與機械強度），而P-H層幾乎不發生形變，非對稱膨脹與條紋模板結構共同誘導復合材料產生左旋卷曲。在光照下，光熱效應使溫度升高，S-PVA層部分脫水而P-H層發生熱膨脹。由于P-H層熱膨脹程度大于S-PVA層，Janus膜先解卷曲繼而發生反向右旋卷曲。

本研究對比分析了六種典型VOC水溶液（包括釀酒廢水、甲醇、乙醇等）的光催化制氫性能。在非均勻溫度場與應變梯度共同作用下，Pt-TiO₂@P-H/S-PVA復合膜在乙醇水溶液飽和蒸汽體系中實現了336.6 μmol h^-1的產氫速率，相較于傳統液相純水分解系統提升14.6倍，且該體系在常壓下表現出16.6%的平均表觀量子產率。載流子動力學表征表明，壓電-熱釋電內建電場的協同作用使光致發光強度降低44.8%，同時將光電流響應提升1016.7倍，為耦合內建電場促進光生載流子分離的關鍵作用提供了有力證據。COMSOL模擬揭示了溫度場、力場與電場之間的多場協同作用機制。本研究成功將刺激響應型壓電-熱釋電特性集成于光催化系統，實現了耦合VOC利用的高效制氫，構建了同步解決能源轉化與環境修復的雙功能光催化體系。

相關成果以“Spontaneous Chirality Transition-Mediated Piezo-Pyroelectric Synergy for Photocatalytic hydrogen production from saturated vapor of VOC aqueous solutions”為題，發表在《Advanced Functional Materials》(論文期刊號：Adv. Funct. Mater. 2025, e18394，IF=19.0)上。

論文通訊作者為南京工業大學材料科學與工程學院陸春華、寇佳慧教授，論文第一作者為南京工業大學大學材料科學與工程學院博士生魏慧敏。該研究工作得到了國家自然科學基金、江蘇省高等學校自然科學基金和江蘇省高等學校重點學科發展項目等項目支持。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202518394

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