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压电催化将水分解为自发分离的氢气（H₂）和过氧化氢（H₂O₂）在满足工业需求方面展现出巨大前景。

2025年5月27日，中国地质大学黄洪伟、Fang Chen在国际顶级期刊Advanced Materials发表题为《Asymmetric Single-Unit-Cell Layer Enriching Polar Inherent Hydroxyls Eliminates Interlayer Electric Field Shielding Effect and In Situ Self-Polarize for Piezocatalytic Water Splitting》的研究论文，王春杨为论文第一作者，黄洪伟、Fang Chen为论文共同通讯作者。

在本文中，作者研究了一种具有超强力敏性的非对称单单元层Bi₂O₂(OH)(NO₃)单层（BON-M），用于纯水和海水的分解。

单层结构的形成使得固有极性羟基充分暴露，并消除了由[Bi₂O₂OH]片层和[NO₃]层之间的氢键引起的层间电场屏蔽，从而产生更大的压电效应和更强的内建电场。这种结构还有利于表面电荷载流子的解耦，并使水分子的吸附和氢原子（H^*）的脱附更加有利。

特别是，机械应变可以诱导BON-M的原位自极化，这进一步增强了电场强度，并降低了H脱附和关键中间体OH形成的关键能量势垒，从而在动力学和热力学上促进了水分解为氢气和过氧化氢。

BON-M从纯水中产生了高达2071.05和970.27 µmol g^-1 h^-1的压电催化氢气和过氧化氢产率。它还在8 h内从海水中分解产生了12429.68 µmol g^-1的氢气，机械能到氢能的转换效率为0.15%。

该研究通过构建富含表面固有极性基团的超细纳米结构，开发了一种有效的高性能压电催化剂利用策略。

图1：对比分析

展示了本研究与以往研究的对比，突出了单层BON-M在压电催化水分解中的优势，包括更高的H₂和H₂O₂产率、更强的压电性能和内建电场。强调了单层结构和表面极性羟基在提高压电催化性能中的关键作用。

图2：BON-M的制备与结构表征

通过搅拌剥离法制备了单层BON-M，利用透射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）等手段表征了其结构和厚度。确认了BON-M的单层结构和丰富的表面极性羟基，为后续的性能测试提供了基础。

图3：压电催化性能测试

展示了BON-M在纯水和海水分解中的H₂和H₂O₂产率，以及不同超声功率下的性能变化。证明了BON-M在不同水体环境下的高效压电催化性能，特别是在高超声功率下表现更为突出。

图4：压电特性分析

通过压电响应力显微镜（PFM）和Kelvin探针力显微镜（KPFM）测试了BON-M的压电特性和表面电位。揭示了BON-M的单层结构显著增强了其压电性能和内建电场强度。

图5：电化学性能测试

利用线性扫描伏安法（LSV）和电化学阻抗谱（EIS）测试了BON-M的电荷传导特性。表明BON-M具有更高的电荷分离和迁移效率，有助于提高压电催化性能。

图6：理论计算与模拟

通过密度泛函理论（DFT）计算和有限元方法（FEM）模拟，分析了BON-M的电子结构和应力诱导的压电势。从理论上解释了BON-M的单层结构和表面极性羟基如何增强其压电性能和催化活性。

图7：吸附与反应机理

通过DFT计算研究了H^*和H₂O₂分子在BON-M表面的吸附能和电荷转移特性。揭示了表面极性羟基和机械应变如何促进H₂和H₂O₂的生成，为理解压电催化机制提供了重要依据。

综上，作者通过搅拌剥离法制备了单单元层的Bi₂O₂(OH)(NO₃)（BON-M），并将其应用于纯水和海水的压电催化分解，研究了其在超声刺激下产生H₂和H₂O₂的性能。最后表明单层结构和表面极性基团在压电催化水分解中的重要作用，为设计高性能压电催化剂提供了新的理论依据。

研究开发了一种高效的压电催化水分解策略，为利用机械能转化为化学能提供了新的途径，有助于推动清洁能源的开发和利用。

Asymmetric Single-Unit-Cell Layer Enriching Polar Inherent Hydroxyls Eliminates Interlayer Electric Field Shielding Effect and In Situ Self-Polarize for Piezocatalytic Water Splitting, Adv. Mater., 2025. https://doi.org/10.1002/adma.202505592.