文章导读
传统铁电薄膜受衬底夹持效应限制，难以产生大形变，压电催化效应偏弱；柔性压电复合材料虽改善了形变能力，却仍受困于压电响应受限和界面机械损耗。西安交通大学刘明教授团队基于自支撑单晶BaTiO3薄膜的超柔性与超弹性特征，采用脉冲激光沉积结合水溶性牺牲层技术制备不同晶体取向的高质量自支撑单晶BTO薄膜，利用超声空化驱动薄膜反复弯曲产生应变梯度，在超声与紫外光协同下使四环素90分钟降解率达90.25%，其中（110）取向表现更优。动态应变梯度诱导的a/c铁电畴切换与重构如何转化为催化性能优势？
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压电催化是一种利用机械振动诱导压电极化、驱动载流子分离及表面氧化还原反应的机械能-化学能转换技术，在环境污染治理等领域具有良好的应用前景。然而，传统铁电薄膜受衬底夹持效应的限制，无法实现大形变，难以引入应力激发薄膜的极化翻转，导致压电催化效应较弱。柔性有机物为主体的压电复合材料虽然能够改善机械形变能力，但仍面临压电响应受限和界面机械损耗等问题。因此，兼具超柔性和强压电响应的自支撑铁电单晶薄膜，可实现动态形变驱动高效液相催化，为高效压电催化材料的选择提供新思路。
针对上述挑战，西安交通大学电子科学与工程学院刘明教授团队基于前期发现的自支撑单晶BaTiO3（BTO）薄膜超柔性和超弹性特征（Science 2019, 366, 475-479），进一步拓展其高弯曲形变能力在动态压电催化中的应用。研究团队采用脉冲激光沉积结合水溶性牺牲层技术，制备了不同晶体取向的高质量自支撑单晶BTO薄膜。研究发现，超声空化可驱动自支撑BTO薄膜反复弯曲并产生显著应变梯度，在超声与紫外光协同作用下，四环素90分钟降解率达到90.25%，其中（110）取向BTO膜表现出更优异的压电响应和界面电荷传输能力。研究表明，动态应变梯度诱导的a/c铁电畴切换与重构能够调控薄膜表面极化状态，并促进载流子持续分离。该研究将自支撑铁电单晶氧化物薄膜的超柔性优点转化为动态极化调控和催化性能优势，为高性能压电催化材料的设计提供了新的思路。
相关研究成果以《应变应变梯度驱动自支撑单晶BaTiO₃薄膜实现高效动态压电‑光催化梯度驱动自支撑单晶BaTiO₃薄膜实现高效动态压电‑光催化》（Efficient Dynamic Piezo-Photocatalysis of Freestanding Single-Crystal BaTiO3 Membranes by Strain Gradient ）为题，在国际材料领域顶级期刊《先进材料》（Advanced Materials）（IF=29.1）上在线发表。西安交通大学为论文第一完成单位和通讯单位，电子科学与工程学院博士生杨迁为论文第一作者。西安交通大学电子科学与工程学院刘明教授和董国华教授为共同通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划、陕西省三秦人才特殊支持计划等项目的资助，并得到西安交通大学分析测试中心的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.75029
刘明教授团队主页：https://gr.xjtu.edu.cn/mingliu/
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