近日，广东工业大学环境健康与污染控制研究院、环境科学与工程学院安太成教授团队在压电催化氧化甲醛机理研究方面取得最新研究进展，研究成果以《Enhanced pizeopotential-mediated catalytic oxidation mechanism of formaldehyde and anti-deactivation performance onto ZnO surface》为题发表在Applied Catalysis B: Environment and Energy期刊(https://authors.elsevier.com/c/1ivoN3Id~t8x5~；2024，353：124057)上。论文的第一作者为赵伟娜副教授，通讯作者为安太成教授。在这项工作中，作者主要采用DFT计算方法，系统研究了不同压电应变比下ZnO(100)压电催化氧化HCHO的反应过程。探究了不同应变强度下反应分子的吸附行为及其电子结构，发现压电效应的引入不仅增强了ZnO表面对HCHO的催化氧化活性，而且更利于ZnO表面形成的CO₂和H₂O等分子的脱附行为，在一定程度上解决了催化剂的失活问题。本研究揭示了压电势促进HCHO催化氧化的内在机理，可为污染物降解及压电催化剂的设计提供理论指导。

 

近年来，甲醛导致的大气环境污染已严重影响了生态环境与人类健康，因此如何经济高效地进行甲醛催化氧化是目前环境领域亟需解决的一个研究热点。基于机械应变诱导的压电催化是一种非常有效的环境修复策略，可以极大促进有机污染物的催化氧化过程。本论文通过构建压电催化模型，并结合第一性原理计算来探索ZnO(100)表面的甲醛催化氧化过程及反应机理。研究工作揭示了吸附能与压电外力应变比例之间的潜在定量关系，结果表明−12%的形变比例下产生了最佳吸附行为，并发现压电效应显著降低了反应速率决速步骤的自由能垒。更为有趣的是，ZnO在压缩应变下不仅表现出有效增强的压电活性，而且能够使表面的生成产物CO₂和H₂O有效脱附，从而在一定程度上解决了催化剂失活问题。该研究强调压电势在VOCs催化氧化中的作用，并提出了一种设计压电催化剂的新策略。

 

论文网址：https://authors.elsevier.com/c/1ivoN3Id~t8x5~  

 

图表摘要：

 

英文摘要：

Effective formaldehyde catalytic oxidation at mild conditions to satisfy stringent environmental regulations is urgently required for conquering hazardous threats to ambient air and human health. The utilization of piezoelectric polarization induced by mechanical strain has emerged as a highly effective strategy for environmental remediation, tremendously promoting catalytic oxidation processes. Herein, first principles calculations integrated with piezoelectric model were utilized to explore formaldehyde oxidation on ZnO(100). The underlying quantitative relationship between adsorption capacity and external strain ratios was revealed, with a −12 % deformation ratio leading to optimal adsorption. Unexpectedly, the free energy barrier of rate determining step is significantly reduced in piezocatalytic system. Interestingly, ZnO under external compression not only exhibit effectively enhanced piezopotential activity, but also resolved the catalyst deactivation problem by removing CO₂ and H₂O from surface. This work highlights the role of piezopotential in VOCs catalytic oxidation, and suggests a strategy for designing piezoelectric catalysts.

 

资助项目：本研究得到了国家自然科学基金（22006023）、广东省重点研发计划（2022-GDUT-A0007）、广东省自然科学基金（2019A1515010428）和广州市基础与应用基础研究（202102020126）的支持。