港城大/上海电力JACS: 掺氮碳-PVDF复合材料上锚定Ca单原子，用于高性能压电催化

催化开天地 · 公众号 · · 2024-07-07 08:27

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压电纳米粒子在机械应力(如超声振动)作用下，可以在其区域内产生内置电场。这种电场促进了压电材料和环境介质(如水和氧分子)之间界面上自由电荷的积累，触发氧化还原反应，产生活性氧物种，有效地去除环境中的污染物。聚偏氟乙烯(PVDF)膜因其良好的化学稳定性、热稳定性、机械稳定性和压电效应性而受到广泛关注。在PVDF膜中加入石墨烯或氧化石墨烯可以有效地提高其压电催化活性，因为包埋的纳米粒子可以促进β相的形成。ZIF基多孔炭具有数量大、成本低、比表面积大、中孔多等特点，是一种非常有利于催化反应的材料。因此，开发多孔碳基压电催化剂有望在压电催化领域得到实际应用。

近日， 香港城市大学李振声 、 张瑞勤 和 上海电力大学姚伟峰 等通过在掺氮碳和聚偏二氟乙烯(PVDF)的复合材料上固定孤立的Ca原子(Ca-PVDF)，证明了基于单个金属原子的压电聚合物膜具有高压电催化活性。实验结果表明，Ca原子锚定碳纳米粒子的加入不仅促进了PVDF中β相的形成(从29.8%增加到56.3%)，而且引入了更高的孔隙率和亲水性。在超声激发下，所制备的催化剂膜具有0.11 min ^-1 的准一级动力学速率常数和99.8%的抗菌性能。此外，Ca-PVDF在经过8个催化循环后仍保持良好的污染物降解性能。

理论计算表明，单原子Ca掺杂是影响催化活性的主要因素，PVDF与Ca原子之间可能存在的协同效应可以改善催化性能。在Ca-PVDF上，O ₂ 分子很容易被氢化生成•OH，而β相PVDF提供的局域电场可以增强•O ₂ ⁻ 的生成，进而协同提升了整体催化活性。

此外，从材料结构方面来看，碳纳米粒子的修饰将导致膜的多孔形态，这有助于打开传质通道和大量暴露的活性中心，有助于产生活性氧物种和有机化合物的降解；同时，纳米粒子的加入使PVDF纤维化，不仅提高了聚合物的结晶度和β相产生，而且改善了聚合物链在区域内的取向；还有就是，孔隙率也降低了膜的杨氏模量，从而在相同的机械应力下产生更多的结构变形。高度多孔的表面结构和增加的亲水性可以促进目标污染物/O ₂ 的进入和降解产物的排出，有效地利用活性位点。

Calcium single atom confined in nitrogen-doped carbon-coupled polyvinylidene fluoride membrane for high-performance piezocatalysis. Journal of the American Chemical Society, 2024. DOI: 10.1021/jacs.4c03851

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