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  光催化技術(shù)在環(huán)境修復(fù)和制氫領(lǐng)域顯示出巨大的優(yōu)勢和潛力。然而，由于光生載流子的快速復(fù)合，大多數(shù)半導(dǎo)體光催化劑表現(xiàn)出有限的光催化活性。最近，等離子體金屬在可見光區(qū)域顯示出可調(diào)諧的吸收率；并且得益于局域表面等離子體共振（LSPR）效應(yīng)，等離子體金屬在光照下的光催化過程中提供了大量熱電子。當(dāng)?shù)入x子體金屬耦合n型半導(dǎo)體時，LSPR產(chǎn)生的熱電子可以注入到半導(dǎo)體的導(dǎo)帶中，實現(xiàn)了有效的載流子遷移。同時，由于它們費米能級的差異，在接觸界面處會產(chǎn)生內(nèi)部電場，并導(dǎo)致半導(dǎo)體能帶邊緣向上彎曲，產(chǎn)生肖特基勢壘。然而，過高的肖特基勢壘具有高接觸電阻，抑制了載流子在金屬/半導(dǎo)體界面上自由流動。為了在等離子體金屬半導(dǎo)體系統(tǒng)上成功地實現(xiàn)熱電子注入過程，需要熱電子具有足夠的動能來克服肖特基勢壘。因此，探索適當(dāng)?shù)牟呗詠泶龠M等離子體金屬在界面處產(chǎn)生的熱電子的轉(zhuǎn)移，以克服肖特基勢壘并實現(xiàn)高效的光催化性能是一個亟待解決的科學(xué)問題。

  近日，江蘇科技大學(xué)郭峰/施偉龍教授課題組在《Applied Surface Science》期刊上發(fā)表了題為Synergistic coupling of piezoelectric and plasmonic effects regulates the Schottky barrier in Ag nanoparticles/ultrathin g-C₃N₄ nanosheets heterostructure to enhance the photocatalytic activity的文章。報告了一種簡便的熱解法制備了Ag納米粒子負載的超薄聚合物氮化碳納米片（Ag/UTCN）來協(xié)同壓電和等離子體效應(yīng)調(diào)節(jié)肖特基勢壘的高度以促進熱電子的注入來提高光催化活性。

  通過連續(xù)熱剝離法制備了超薄石墨相氮化碳聚合物，并通過PFM驗證了其壓電特性。

  通過熱解法成功將Ag納米顆粒負載于超薄石墨相氮化碳聚合物表面，并通過TFM、HRTEM、XRD等證實了Ag/UTCN成功構(gòu)筑。

  通過光催化產(chǎn)氫和降解實驗測試了催化劑的性能。Ag/UTCN的光催化性能在超聲和光照同時存在的情況下活性最高，并且優(yōu)于目前已報道的單一光場驅(qū)動的大多數(shù)光催化劑。

  通過有限元模擬（FEM）研究了聚合物UTCN片的厚度對壓電電位輸出的影響。超薄納米薄結(jié)構(gòu)有利于機械能的捕獲和轉(zhuǎn)換。當(dāng)入射光位于Ag NPs（~ 470 nm）的共振峰時，對UTCN納米片上的Ag NPs進行了進一步的電磁模擬，二維和接觸橫向界面電場的電場分布，顯示了聚合物UTCN納米片表面顯著的場增強位置。

  當(dāng)Ag NPs與聚合物UTCN納米片接觸時，聚合物UTCN中的電子擴散到Ag NPs以實現(xiàn)費米能級的平衡，同時聚合物UTCN的能帶向上彎曲，從而形成肖特基勢壘。在僅光照條件下，聚合物UTCN的光生電子躍遷到導(dǎo)帶（CB），而Ag通過LSPR效應(yīng)產(chǎn)生大量熱電子，但高的肖特基勢壘在很大程度上抑制了Ag中的熱電子成功注入聚合物UTCN的CB。而引入超聲場后，UTCN納米片中的應(yīng)變感應(yīng)壓電場因此產(chǎn)生極化電荷可以吸引自由電子，導(dǎo)致接觸界面處UTCN帶邊緣的界面向下彎曲，從而促進電子的界面轉(zhuǎn)移，并更容易克服肖特基勢壘以實現(xiàn)熱電子注入。同時TEOA與h⁺反應(yīng)形成TEOA⁺，大大促進載流子分離并提高量子效率。在光催化TC降解過程中，O₂通過聚集在UTCN的CB上的光生電子轉(zhuǎn)化為?O^2-，TC最終通過?O^2-、?OH和h⁺的共同作用下分解為CO₂和H₂O。對于光催化產(chǎn)H₂而言，大量熱電子的注入改善了H₂還原反應(yīng)。因此，通過等離子體效應(yīng)和壓電效應(yīng)的協(xié)同耦合，在Ag/UTCN復(fù)合體系上獲得了增強的載流子分離效率，在光催化水分解成H₂和降解抗生素污染物方面表現(xiàn)出更高的壓電光催化性能。

  文章第一作者為江蘇科技大學(xué)能源與動力學(xué)院在讀研究生石宇星，通訊作者為郭峰副教授與施偉龍副教授

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156426

作者簡介

  郭峰，2018年博士畢業(yè)于長安大學(xué)市政工程，現(xiàn)任江蘇科技大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，中國感光學(xué)會光催化專業(yè)委員會會員，江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會會員, 新加坡維澤專家?guī)欤╒E）材料科學(xué)專家委員會會員。長安大學(xué)市政工程專業(yè)博士畢業(yè)，獲工學(xué)博士學(xué)位。主要從事g-C₃N₄基復(fù)合光催化材料的設(shè)計、構(gòu)筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持國家自然科學(xué)基金項目，江蘇省青年基金項目，江蘇省“青藍工程”優(yōu)秀骨干教師人才項目，校級深藍杰出人才項目等10余項。近年來，共計以第一作者或通訊作者發(fā)表75篇SCI收錄論文，其中一區(qū)SCI論文36篇（影響因子≥10的 11篇），二區(qū)論文14篇，ESI高被引論文19篇，ESI熱點論文5篇，1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文，榮獲國際學(xué)術(shù)獎“最佳研究者”獎，H-index 43，國家授權(quán)發(fā)明專利3項。榮獲鎮(zhèn)江市“出彩教育人”、校“優(yōu)秀教師”、本創(chuàng)“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”、省級競賽“優(yōu)秀指導(dǎo)教師”等稱號，相關(guān)工作發(fā)表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平雜志。此外，擔(dān)任《Frontiers in Chemistry》客座主編以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際期刊審稿人。

  施偉龍，華中科技大學(xué)博士，鄭州大學(xué)博士后，現(xiàn)任江蘇科技大學(xué)副教授，碩士生導(dǎo)師，中國感光學(xué)會光催化專業(yè)委員會會員，江蘇省復(fù)合材料學(xué)會會員，江蘇省環(huán)境科學(xué)學(xué)會會員，江蘇省材料學(xué)會會員。主要從事碳基（碳點、氮化碳）復(fù)合光催化材料的設(shè)計、構(gòu)筑以及光催化性能（降解、分解水制氫、防腐及海水淡化）等方面的研究工作。相關(guān)工作發(fā)表在Appl. Catal. B: Environ., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interface, J. Mater. Chem A/B，Renew. Energy, Comp. Part B, J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., Appl. Surf. Sci.,等高水平雜志。截止目前，共計以第一作者或通訊作者發(fā)表83篇SCI收錄論文，其中一區(qū)SCI論文39篇（影響因子≥10的15篇），二區(qū)論文24篇，ESI高被引論文22篇，ESI熱點論文12篇，1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文，H-index 46。受理發(fā)明專利2項。榮獲國際復(fù)合材料“最佳研究者”獎，入選2022年全球前2%頂尖科學(xué)家榜單（World’s Top 2% Scientists 2022）、現(xiàn)主持國家自然科學(xué)基金青年、江蘇省“雙創(chuàng)博士”、“科技副總”人才項目、河南省博士后科研項目啟動資助、河北省水資源可持續(xù)利用與開發(fā)實驗室開發(fā)基金、江蘇省產(chǎn)學(xué)研項目等10余項。此外，擔(dān)任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》雜志客座主編、《Photocatalysis and Photochemistry》雜志青年編委、《當(dāng)代化工研究》期刊編委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際Top期刊審稿人。