西安交大物理学院TFML-MMSH研究小组在智能材料物理研究领域取得新进展

近日，由西安交通大学物理学院张乐研究员、杨森教授及前沿科学技术研究院王栋教授领衔的TFML-MMSH跨学科研究小组，在新型压电催化材料领域取得最新突破性进展，相关成果已被国际材料科学权威期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）正式接收并在线发表。

随着工业生产规模扩大，有毒染料的使用量逐年攀升，其引发的持久性水污染问题正受到全球关注。这类污染物不仅难以自然降解，还会通过水体渗透至土壤和地下水，对生态系统造成连锁破坏。环保监测数据显示，传统处理技术对有毒染料的降解效率普遍偏低，导致大量有毒芳香族中间体及残留污染物长期潜伏在自然环境中，对动植物生存和人类健康构成潜在威胁。此前，研究人员曾寄望于半导体铁电体材料解决这一难题。这类材料因自身具有自发极化特性，可通过内部形成的极化场实现光催化降解，但其实际应用中存在两大短板：一是对光能的利用效率不足，二是电荷载流子分离速度缓慢，导致处理周期冗长，且降解效率始终难以突破90%。这一技术瓶颈成为制约水污染治理的关键障碍。

图 1. BNL₃T新型压电催化纳米颗粒在超声和紫外光下对RhB的降解过程。

近日，张乐研究员研究小组报道了一种新型无铅环保La掺杂(Bi,Na)TiO₃（BNL₃T）铁电纳米粒子，通过光致发光光谱（PL）对BNL₃T压电光催化降解RhB溶液的效率进行测试，其可在极短的反应时间（<30分钟）内对常用染料罗丹明B（RhB）实现了接近100%的降解率（如图1所示），结果显示其性能优于目前所有同类材料。值得注意的是，该反应的一级速率常数（k = 0.17 min⁻¹）较传统基于BiFeO₃（BFO）和BaTiO₃（BTO）体系的压电或光催化剂高出一个数量级，为有机污染物的快速降解提供了新方向。 图2所示的密度泛函理论（DFT）计算表明，该材料优异的催化性能源于两个关键因素：1）通过在La位点的直接电子激发增强了电子参与度；2）由于La掺杂过程中极化幅度的增加，其高的内在电场提高了电子-空穴分离效率。本研究通过稀土元素掺杂同时调控无铅铁电纳米材料极化与能带结构，为设计高性能环境催化剂提供了可行的思路与方法。

图 2. BNL_xT 电子结构分析。（a）-（c）BNT、BNL_0.125T 和 BNL_0.25T 的反折叠能带结构。（d）-（f）G点附近分别在 La、Bi 和 Na 上能带投影，对应于（d） BNT、（e） BNL_0.125T 和 （f） BNL_0.25T。（g） BNL₁T 和 BNL₃T 样品的紫外-可见吸收光谱以及用于计算带隙的Tauc图。

上述研究成果近期以《采用稀土调控能带/极化结构实现无铅铁电纳米颗粒的超高压电光催化效率与速率》（Ultrahigh Piezo-Photocatalysis Efficiency and Speed in Lead-Free Ferroelectric Nanoparticles by Employing Rare-Earth Tailored Band/Polar Structures）为题，发表于国际权威期刊《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）。西安交通大学物理学院为第一通讯单位，物理学院博士生许书源为论文第一作者，张乐特聘研究员为论文共同第一作者和通讯作者。其他共同通讯作者还包括西北有色金属研究院陈凯运高级工程师、香港理工大学陈子斌教授和西安交通大学物理学院杨森教授。本工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金，中国博士后基金、西安交通大学青年拔尖人才计划等项目资助。同时感谢西安超算中心为本研究提供的计算资源支持。

张乐，西安交通大学物理学院特聘研究员、青年拔尖人才、博导，智能材料与传感团队TFML-MMSH实验室主任；长期专注于智能材料高性能化实验设计及计算模拟方法。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202519351