随着人口的增长和工业化水平的提高，大量化石能源的消耗导致二氧化碳（CO₂）等温室气体过度排放，并进一步导致气候灾害。使用某些方法将二氧化碳转化为有价值的化学物质，是实现碳中和及社会可持续发展的有效手段。其中，光催化技术因其能利用太阳光以低成本还原二氧化碳，受到越来越多的关注。然而，太阳光吸收率低和光生载流子极易复合是影响光催化效率的主要障碍。

近日，济南大学王金刚教授和刘宏教授团队在期刊《Small》上，发表了最新研究成果“Synergistic Enhancement of Photocatalytic CO2 Reduction by Built-in Electric Field/Piezoelectric Effect and Surface Plasmon Resonance via PVDF/CdS/Ag Heterostructure”。研究者通过静电纺丝和光沉积工艺，制备出聚偏氟乙烯 (PVDF)/硫化镉(CdS) /银纳米粒子(Ag)纤维膜。内建电场/压电效应和表面等离子体共振协同效应大幅增强了光催化二氧化碳还原的能力。

在微振动状态下，CO的生成速率是静态状态下的3倍，达到240.4 μmol·g-1·h-1，优于大多数光催化CO2还原材料。高效的CO2还原效率归因于内建电场/压电效应和表面等离子体共振协同效应，光生载流子的分离效率大幅度提高。PVDF/CdS/Ag纤维膜在光催化CO2应用中具有广阔的前景。

图1：PVDF/CdS/Ag的形貌。

通过静电纺丝技术和后处理制备PVDF膜（图1a）。PVDF 纤维膜的表面相对平整，每根PVDF丝的直径约为 600 nm。Cd2+和F-的配位将纳米片状CdS原位组装在 PVDF 纤维表面（图1b），TEM、SAED和EDS结果（图1d-g）显示了Ag 均匀地负载在 CdS纳米片上。

图2：PVDF/CdS/Ag的光催化CO₂还原性能。

如图2a所示，在静止状态下，PVDF/CdS/Ag具有最佳的CO₂还原性能。这是由于二维结构CdS生长在PVDF纳米纤维的表面上，显著增加了比表面积，并且有利于增加催化剂的光吸收和气体吸附能力。PVDF的内建电场可以促进光生载流子的分离并提高光催化性能，将Ag负载在PVDF/CdS上后光催化活性增强的更加明显。

与CdS粉末相比，CdS/Ag和PVDF/CdS对CO₂的光催化还原效率分别提高了3倍和6倍，PVDF/CdS/Ag 的光催化还原效率提高了23倍，表明 LSPR 和内建电场具有显著的协同效应。此外，PVDF/CdS/Ag在微振动的条件下的显著地提升了光催化性能（图2b），CO产率达到240.4 μmol·g^-1·h^-1，这是静态条件下的三倍，证明了压电效应和LSPR效应也表现出明显的协同效应。同时，PVDF/CdS/Ag纤维膜具有优异的稳定性。

图3：催化剂的价键分析。

图4：催化剂的光学和能带分析。

图5：PVDF/CdS/Ag的压电分析。

图6：PVDF/CdS/Ag 压电增强光催化性能的机理。

PVDF/CdS/Ag由于内建电场和LSPR的协同效应，光催化剂具有良好的可见光吸收和光生载流子分离能力，这大大提高了光催化CO₂还原的性能。在模拟振动条件下，由于PVDF膜的周期性变形，内建电场不断重建，光生载流子的分离效率进一步提高。在微振动状态下，CO的生成速率是静态状态下的3倍，达到240.4 μmol·g^-1·h^-1，这表明压电效应是提高光催化剂活性的有效手段。此研究使用的光催化剂易于制备，在低成本的机械振动（如气流驱动）条件下可以提高CO2的光催化还原活性，具有广阔的应用前景。

论文链接： https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.202304202

人物简介：

刘宏教授简介：

济南大学前沿交叉科学研究院院长，山东大学晶体材料国家重点实验室教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者。中国硅酸盐学会晶体生长分会理事，中国光学学会材料专业委员会会员理事，中国材料研究学会纳米材料与器件分会理事。主要研究方向：生物传感材料与器件、纳米能源材料、组织工程与干细胞分化、光电功能材料等。十年来，主持了包括十五、十一五、十二五863、十三五国家重点研发项目和自然基金重大项目、自然基金重点项目在内的十余项国家级科研项目，取得了重要进展。

2004至今，在Adv.Mater., Nano Lett., ACS Nano, J. Am. Chem.Soc等学术期刊上发表SCI文章400余篇，总被引次数超过26000次，H因子为78，30余篇文章）入选高被引论文。2015和2019年度进入英国皇家化学会期刊“Top 1% 高被引中国作者”榜单。2018至2022连续五年被科睿唯安评选为“全球高被引科学家”。授权专利30余项，研究成果已经在相关产业得到应用。2019年获得山东省自然科学一等奖。

王金刚教授简介： 

济南大学前沿交叉科学研究院副院长，教授，博士生导师。主要从事环境纳米材料和生物材料的合成研究。近年来，主持了包括省重大创新工程、省重点研发计划、省自然科学基金、省中青年科学家基金等在内的多项科研项目，获山东省自然科学二等奖一项，在包括Nano Energy，ACS Nano, Chem Eng J, J Hazard Mater等学术期刊上发表SCI文章60余篇，授权专利10余项。