能源短缺与水污染是当前全球面临的重大挑战，亟需开发清洁能源与高效污染治理技术。光催化技术因其绿色、可持续的特点，成为同时实现能源转化(如：产氢)和污染物降解的理想方案。然而，传统光催化剂普遍存在载流子复合率高、太阳光利用率低等问题，且多功能广谱型催化剂仍较稀缺。近年来，S型异质结通过内建电场促进电荷分离，并保留强氧化还原能力，成为研究热点。进一步引入压电材料，可利用机械能(水流、超声等)产生压电场，与光生电场协同增强载流子分离效率。然而，现有压电光催化材料(ZnO、MoS2等)多为脆性粉末，易流失且循环稳定性差，限制实际应用。因此，设计兼具高活性、柔韧性和易回收特性的新型压电光催化材料，对推动环境-能源协同治理具有重要意义。
近日，长春理工大学董相廷教授团队在国际知名期刊《Advanced Functional Materials》上，发表了最新研究成果“Multi-Electric Field-Enhanced CuInS2-ModifiedTiO2(Anatase)/TiO2(Rutile)/PVDF Nanofiber Membrane for Multifunctional Piezo-Photocatalysis”。通过合理设计微观结构、组分调控与多电场耦合，利用多重驱动力和电荷传输通道实现电荷高效分离与快速迁移，是解决水污染与能源危机的卓越策略。长春理工大学董相廷教授为通讯作者、孙凤博士后为第一作者。
本研究设计并构建了自支撑多电场协同的CuInS2纳米立方体修饰TiO2(锐钛矿)/TiO2(金红石)/PVDF [CuTi(AR)P] 双S型异质结纳米纤维膜压电光催化剂。通过将不同晶相的TiO2分散于一维PVDF纳米纤维中，确保充足的光生载流子生成与快速迁移；同时，三维CuInS2纳米立方体在一维纤维表面的垂直生长提供了大比表面积并拓宽光响应范围。四种功能组分的梯度能带排布，通过内建电场(双S型异质结）与压电场(PVDF)形成多电场协同效应，显著降低电荷复合概率。基于能带工程、纳米结构界面与宽光谱设计的协同作用，0.50CuTi(AR)P在搅拌协同模拟太阳光照下，对Cr(VI)还原、环丙沙星降解、H2及H2O2合成的压电光催化效率分别高达100.00% (60 min)、94.30% (50 min)、893.3与1174.7 μmol h-1 g-1，实现了多功能特性。
通过静电纺丝和水热方法的结合，设计并制造了自支撑多电场协同CuInS2纳米立方体修饰TiO2(锐钛矿)/TiO2(金红石)/PVDF纳米纤维膜双S方案异质结压电催化剂。在XPS谱中，Ti 2p、O 1s、Cu 2p、In 3d和S 2p的结合能变化反映了CuTi(AR)P中的电荷从CuInS2的表面转移到Ti(A)P和Ti(R)P，电子转移与异质结的形成密切相关。
图1：CuTi(AR)P的制备过程示意图(a)；不同样品的XRD模式(b)和高分辨XPS谱(c-g)
通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察样品的形态。Ti(A)P、Ti(R)P和Ti(AR)P呈现长径比较大的纳米纤维形态，CuInS2显示出明确的立方结构。当0.50 mmol CuInS2分别负载在Ti(A)P、Ti(R)P和Ti(AR)P上时，CuInS2均匀地分布在0.50CuTi(AR)P的表面上。此外，Ti、O、F、N、In、Cu和S元素均匀分布在0.50CuTi(AR)P的表面上，验证了0.50CuTi(AR)P的成功合成。HRTEM中，0.351、0.325和0.321 nm的晶格间距分别归因于TiO2 (锐钛矿)、TiO2 (金红石)和CuInS2的(101)、(110)和(112)晶面，证实了0.50CuTi(AR)P的成功构建。通过压电力显微镜(PFM)分析PVDF、0.50CuTi(AR)P和1.00CuTi(AR)P的压电性能，振幅图像显示清晰的畴壁，相位图像表明电畴取向随机。施加电压(±6V、±15V、±20V)时，三者均呈现“相位滞后”环和“蝶形”振幅环，接近180°的相位反转，证实存在极化切换。异质结构的引入显著增强PVDF的压电响应，为高效压电光催化奠定基础。
图2: 0.25CuTi(AR)P (a)，0.50CuTi(AR)P (b)，0.75CuTi(AR)P (c)，1.00CuTi(AR)P (d)，CuTi(A)P (e)和CuTi(R)P (f)的SEM图像；0.50CuTi(AR)P中Ti、O、F、N、In、Cu和S元素的映射图像(g)；0.50CuTi(AR)P的TEM (h)和HRTEM (i)图像；及PFM图像(j-m)
污染物处理方面：Cr(VI)还原实验表明，0.50CuTi(AR)P在60 min内还原效率达100%，显著优于单一材料[CuInS2 (24.40%)、Ti(A)P (40.10%)和Ti(R)P (33.80%)]及二元复合物[CuTi(A)P (57.60%)、CuTi(R)P (53.70%)和Ti(AR)P (63.60%)]。异质结优化载流子分离，但过量CuInS2降低性能。0.50CuTi(AR)P因最佳异质结构比例，展现出最优压电光催化活性。进一步，0.50CuTi(AR)P在50 min内降解94.3%的CIP，效率分别是CuInS2、Ti(A)P和Ti(R)P的3.04、2.23和2.62倍，与Cr(VI)还原趋势一致。
在光照-压电协同作用下，0.50CuTi(AR)P对Cr(VI)和CIP的去除效率分别达100% (是纯光催化的1.85倍，是压电催化的3.73倍)和94.3% (是纯光催化的1.81倍，是压电催化的4.25倍)，证实光催化与压电催化的显著协同效应。
再生能源生成方面：在360 min光照-压电协同作用下，0.50CuTi(AR)P的产氢量达402.0 μmol，速率达893.3 μmol h-1 g-1，是纯光催化(507.1 μmol h-1 g-1)的1.76倍，且循环4次后仍保持870.1 μmol h-1 g-1以上。其H2O2产率高达1174.7 μmol h-1 g-1，显著优于单一光催化(665.4 μmol h-1 g-1)和压电催化(58.7 μmol h-1 g-1)，并表现出良好循环稳定性。通过异质结构设计和多场协同效应，0.50CuTi(AR)P实现了环境修复与能源生产的双重功能，展现出广阔应用前景。
图3: 在搅拌耦合模拟太阳光照射下(a、b、d、e、g、h、j、k)：Cr(Ⅵ) (a-c)和CIP (d-f)的去除效率；在不同pH条件下(b, e)及不同搅拌和光照条件下(c, f)，0.50CuTi(AR)P压电光催化去除Cr(Ⅵ)和CIP的效率；累积产H2 (g)和H2O2 (j) 量和相应产生速率(h, k)；在不同搅拌和光照条件下，0.50CuTi(AR)P的H2 (i)和H2O2 (l)产生速率
0.50CuTi(AR)P通过三条主要途径降解CIP，中间产物经氧化矿化最终转化为H2O和CO2等小分子。毒性评估(T.E.S.T.)表明，0.50CuTi(AR)P能有效降解CIP并显著降低其毒性。培育水稻实验证实：降解后CIP溶液中的植株生长状况与自来水相当，明显优于未处理的CIP溶液，证明该催化剂能有效消除CIP的生物毒性，减轻其对作物的不良影响。
图4: CuTi(AR)P压电光催化去除CIP的可能途径(a)；用于评估CIP及其降解中间体毒性的黑头呆鱼LC50 (96 h) (b)、大型蚤LC50 (48 h) (c)、发育毒性(d)、致突变性(e)和生物富集因子(f)指标；水稻种子在压电光催化降解CIP溶液前(g)和后(h)及自来水(i)中生长的数码照片
DFT计算表明，TiO2 (锐钛矿)、TiO2 (金红石)和CuInS2的功函数分别为6.5、6.3和4.9 eV。光照下，电子从CuInS2 (高EF)向Ti(A)P和Ti(R)P (低EF)迁移，形成内建电场[CuInS2→Ti(A)P和Ti(R)P]，导致能带弯曲。这种S型异质结机制有效分离载流子，保留强氧化还原能力，从而促进CIP降解、Cr(VI)还原、H2和H2O2的生成。
图5: CuTi(AR)P去除Cr(Ⅵ)和CIP及产H2和H2O2的可能压电光催化机理
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202505795
人物简介：
董相廷，长春理工大学化学与环境工程学院教授，博士，博士生导师。从事纳米材料与技术研究，主要研究方向为：电纺技术构筑光电磁多功能一维纳米结构材料与特性研究；电纺技术构筑稀土化合物一维纳米材料与发光性能研究；电纺、水热与溶剂热等及其结合技术构筑低维纳米材料与表征，并将所构筑的低维纳米材料应用于光催化分解有机污染物、光催化分解水制氢、电催化析氢和析氧、锂离子电池、锂硫电池、超级电容器和气体传感器中。以第1名获吉林省技术发明一等奖1项、技术发明二等奖1项、自然科学二等奖1项和吉林省自然科学学术成果奖一等奖2项；以通讯作者在Adv. Funct. Mater., Matter, Small, Renew. Sust. Energ. Rev., Chem. Eng. J., Renew. Energ., ACS AMI, Compos. Sci. Technol., Sensor Actuat B: Chem, J. Mater. Chem. C, Nanoscale等国际重要期刊发表论文500余篇，D指数44 (Research. Com);获授权国家发明专利100余件；研究成果引起领域内同行的高度关注。
