近年來，全球范圍內(nèi)的水污染日益嚴(yán)重，對(duì)生物多樣性與人類的身體健康造成了嚴(yán)重的威脅。利用壓電材料在水流下產(chǎn)生極化，從而在水中產(chǎn)生自由基，進(jìn)而降解水體中有機(jī)污染物的壓電催化體系，在水污染防治中得到了廣泛的關(guān)注。近十年來，基于氧化鋅、鈦酸鋇、過渡金屬硫化物（以二硫化鉬為主）等材料的壓電催化體系得到了不斷的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，對(duì)污染物的分解效率不斷提升，應(yīng)用場(chǎng)景也不斷豐富。
然而，目前實(shí)驗(yàn)室中設(shè)計(jì)的壓電催化體系與現(xiàn)實(shí)應(yīng)用間尚存在巨大的鴻溝。其中最重要的原因在于壓電催化體系大多需要在超聲處理時(shí)才能達(dá)到較高的效率。而在自然界豐富的低頻水流下，壓電催化效率通常較低。這是因?yàn)槌曁幚頃r(shí)，水體內(nèi)因超聲空化可以產(chǎn)生107~108 Pa的高壓強(qiáng)，從而有效極化壓電材料，產(chǎn)生自由基。而低頻水流帶來的壓力只有105~106 Pa，難以滿足催化反應(yīng)的要求。為了在低頻水流下實(shí)現(xiàn)更高的壓電催化效率，許多研究者致力于通過對(duì)壓電材料的設(shè)計(jì)與改性提高壓電材料的活性。然而這通常大大提高了制備成本，且催化效率以及性能穩(wěn)定性也依然存在較大的提升空間。
圖1. 織物基壓電催化體系的設(shè)計(jì)。（a）織物基壓電催化體系應(yīng)用于水處理的示意圖。（b）壓電催化降解有機(jī)污染物的原理。（c）針織結(jié)構(gòu)在宏觀壓力下的應(yīng)力分布。（d）針織結(jié)構(gòu)在宏觀拉力下的應(yīng)力分布。（e）梭織結(jié)構(gòu)在宏觀壓力下的應(yīng)力分布。（f）梭織結(jié)構(gòu)在宏觀拉力下的應(yīng)力分布。
圖2 織物基壓電催化體系的性能。（a）羅丹明溶液在30分鐘壓電催化過程中紫外-可見光譜的變化。插圖：羅丹明染料在降解過程中顏色的變化（b）6次循環(huán)中羅丹明染料的分解效率。（c）二硫化鉬納米片滴涂次數(shù)對(duì)壓電催化效率的影響。（d）搖床轉(zhuǎn)速對(duì)壓電催化效率的影響。（e）羅丹明染料初始濃度對(duì)壓電催化效率的影響。（f）織物基壓電催化體系對(duì)羅丹明、甲基橙、亞甲基藍(lán)分解效率的對(duì)比。
本工作通過引入織物作為壓電催化體系的基底，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水流壓力的有效放大。從而擺脫了一般壓電催化體系對(duì)超聲的依賴，為壓電催化體系利用自然水流動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)無源水處理創(chuàng)造了條件，也為水污染的治理提供了一種高效低成本的解決方案。
文章信息：Jidong Shi*, Su Yang, Zetao Zheng, Jiyu Li, Liu Wang*, Wei Zeng, Liusi Yang, Ying Xiong, Zhengyuan Jin and Xiaoming Tao* J. Mater. Chem. A, 2023, DOI: 10.1039/D2TA09682J
文章鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/ta/d2ta09682j
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