用阳光驱动的“水变双氧水”新方法

本研究解决了一个关键难题：宽禁带非极性半导体（如氧化锆ZrO₂）本身既不能有效吸收可见光，又因晶体结构对称而无法产生压电效应，因此难以用于光-机械协同催化制备过氧化氢（H₂O₂）。研究人员创新性地在ZrO₂中掺入一价铜离子（Cu⁺），同时诱导生成氧空位（OV），形成局部的Cu⁺–OV缺陷偶极子。这种人为引入的‘不对称性’打破了材料原有的中心对称结构，使原本无压电性的ZrO₂在超声振动下能产生显著的压电极化电场。该电场与可见光激发协同作用：一方面强力驱动光生电子和空穴定向分离，大幅抑制其复合；另一方面，缺陷态本身赋予材料可见光吸收能力。实验表明，优化后的催化剂Cu₀.₀₇Zr₀.₉₃O₂在空气/纯水、超声（200 W, 40 kHz）与模拟可见光（λ ≥ 420 nm）共同作用下，H₂O₂产率高达415.36 μmol·g⁻¹·h⁻¹，是未掺铜样品的1.8倍。机理研究表明，Cu⁺掺杂还降低了活性位点的d带中心，削弱了羟基自由基（*OH）在表面的吸附强度，从而更利于*OH脱附并快速结合生成H₂O₂，加速了两电子水氧化反应（2e⁻ WOR）动力学。在实际应用验证中，该催化剂被制成海藻酸钠水凝胶微球，在1升连续流反应器中处理含罗丹明B的模拟废水（60分钟水力停留时间），实现了88.7%的高效降解，且经5次循环后仍保持81.6%的初始性能，展现出优异的稳定性与工程应用潜力。该工作为激活传统‘惰性’宽禁带氧化物的压电-光催化功能提供了普适性设计思路，有望推动绿色、低能耗的原位H₂O₂合成与污水处理技术发展。