突破传统！Advanced Science：双压电Z型异质结，实现高效压电光催化水分解

Wiley

2026-06-04

研究背景

氢能与过氧化氢作为清洁可再生能源载体，其高效制备是催化和能源领域的核心研究方向。首先传统光催化水分解依赖牺牲剂与助催化剂，其次传统压电催化虽能将机械能转化为化学能，但所使用的无机压电材料存在光能量耦合低、结构可调性差等瓶颈，而共价有机框架（COFs）和金属有机笼（MOCs）等新兴材料虽各具优势，却受限于电荷复合快、稳定性不足等问题，亟待开发新型高效能量转换体系。

文章概述

中山大学材料科学与工程学院刘军民课题组联合吉林大学物理学院杨新一课题组，首次报道了一种兼具压电性能的金属有机笼（MOC-FA3）与β-酮烯胺连接的共价有机框架（S-COF）构建的双压电Z型异质结。该体系通过超分子相互作用实现协同耦合，在超声（60 W, 40 kHz）与AM 1.5G光照下，纯水分解产氢和产过氧化氢速率分别达到1297.6和1304.2 μmol g^-1h^-1，较纯S-COF提升了1.95倍和2.06倍，跻身COF基压电光催化剂前列。值得注意的是研究首次证实MOCs的本征压电性，结合Z型电荷转移与压电场增强的电荷分离效应，在MOC-FA3的原子级Pd（产氢）和S-COF的C2-C3活性位点（产过氧化氢）实现高效能量转换，为太阳能-机械能协同利用提供了全新范式。

图文导读

图 1 Z型异质结MOC-FA3/S-COF的水分解机理图：（A）可见光下的光催化路径；（B）超声波与光照协同作用下的压电-光催化协同路径

图 2 （A）MOC-FA3的自组装合成；（B）S-COF的合成；（C）复合材料模拟结构图；（D）X射线粉末衍射谱；（E）固态紫外-可见吸收光谱

图 3 （A）不同MOC-FA3负载量的产氢性能对比；（B）对比样品的产氢性能对比：（C）复合材料长期稳定性；（D）所有样品的性能对比；（E）复合材料光催化产氢机理；（F）羟基自由基捕获实验；（G）固体荧光光谱

图4 （A-C）相位滞后回线与振幅蝴蝶回线；（D-E）高压原位红外光谱；（F-H）高压原位紫外光谱

图5 （A）不同条件下催化水分解产氢产过氧化氢；（B）复合材料压电光催化长期稳定性；（C）所有样品性能对比；（D）不同功率的性能对比；（E）不同频率的性能对比；（F）复合材料压电光电流曲线

图6 （A-B）高压原位荧光光谱；（C）开尔文探针力显微镜表征；（D）同位素对比实验；（E）原位电子顺磁共振测试；（F）活性位点分布结构图；（G）过氧化氢产生机理；（H）计算析氧反应自由能图；（I）压电光催化分解水的推测机理示意图

结论

本研究实现了两大核心突破：一是打破MOCs无压电性的传统认知，证实其可通过分子不对称设计获得固有压电特性，拓展了压电材料的边界；二是构建的MOC-FA3/S-COF双压电Z型异质结，成功将压电极化与Z型电荷转移机制协同融合，开创了机械能-光子能量转化的新路径。该催化体系无需牺牲剂和贵金属助催化剂，在纯水中即可高效协同生产H₂和H₂O₂，不仅展现出卓越的催化活性与稳定性，更通过明确的活性位点与反应机制，为新型能源转化材料的设计提供了关键理论支撑。这一成果为可持续H₂与H₂O₂生产技术的发展注入强大动力，有望推动压电光催化在新能源领域的规模化应用。

期刊简介

Advanced Science 是Wiley旗下创刊于2014年的优质开源期刊，发表材料科学、物理化学、生物医药、工程等各领域的创新成果与前沿进展。期刊为致力于最大程度地向公众传播科研成果，所有文章均可免费获取。被Medline收录，PubMed可查。最新影响因子为17.521，中科院2021年SCI期刊分区材料科学大类Q1区、工程技术大类Q1区。