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  光催化技術在環境修復和制氫領域顯示出巨大的優勢和潛力。然而，由于光生載流子的快速復合，大多數半導體光催化劑表現出有限的光催化活性。最近，等離子體金屬在可見光區域顯示出可調諧的吸收率；并且得益于局域表面等離子體共振（LSPR）效應，等離子體金屬在光照下的光催化過程中提供了大量熱電子。當等離子體金屬耦合n型半導體時，LSPR產生的熱電子可以注入到半導體的導帶中，實現了有效的載流子遷移。同時，由于它們費米能級的差異，在接觸界面處會產生內部電場，并導致半導體能帶邊緣向上彎曲，產生肖特基勢壘。然而，過高的肖特基勢壘具有高接觸電阻，抑制了載流子在金屬/半導體界面上自由流動。為了在等離子體金屬半導體系統上成功地實現熱電子注入過程，需要熱電子具有足夠的動能來克服肖特基勢壘。因此，探索適當的策略來促進等離子體金屬在界面處產生的熱電子的轉移，以克服肖特基勢壘并實現高效的光催化性能是一個亟待解決的科學問題。

  近日，江蘇科技大學郭峰/施偉龍教授課題組在《Applied Surface Science》期刊上發表了題為Synergistic coupling of piezoelectric and plasmonic effects regulates the Schottky barrier in Ag nanoparticles/ultrathin g-C₃N₄ nanosheets heterostructure to enhance the photocatalytic activity的文章。報告了一種簡便的熱解法制備了Ag納米粒子負載的超薄聚合物氮化碳納米片（Ag/UTCN）來協同壓電和等離子體效應調節肖特基勢壘的高度以促進熱電子的注入來提高光催化活性。

  通過連續熱剝離法制備了超薄石墨相氮化碳聚合物，并通過PFM驗證了其壓電特性。

  通過熱解法成功將Ag納米顆粒負載于超薄石墨相氮化碳聚合物表面，并通過TFM、HRTEM、XRD等證實了Ag/UTCN成功構筑。

  通過光催化產氫和降解實驗測試了催化劑的性能。Ag/UTCN的光催化性能在超聲和光照同時存在的情況下活性最高，并且優于目前已報道的單一光場驅動的大多數光催化劑。

  通過有限元模擬（FEM）研究了聚合物UTCN片的厚度對壓電電位輸出的影響。超薄納米薄結構有利于機械能的捕獲和轉換。當入射光位于Ag NPs（~ 470 nm）的共振峰時，對UTCN納米片上的Ag NPs進行了進一步的電磁模擬，二維和接觸橫向界面電場的電場分布，顯示了聚合物UTCN納米片表面顯著的場增強位置。

  當Ag NPs與聚合物UTCN納米片接觸時，聚合物UTCN中的電子擴散到Ag NPs以實現費米能級的平衡，同時聚合物UTCN的能帶向上彎曲，從而形成肖特基勢壘。在僅光照條件下，聚合物UTCN的光生電子躍遷到導帶（CB），而Ag通過LSPR效應產生大量熱電子，但高的肖特基勢壘在很大程度上抑制了Ag中的熱電子成功注入聚合物UTCN的CB。而引入超聲場后，UTCN納米片中的應變感應壓電場因此產生極化電荷可以吸引自由電子，導致接觸界面處UTCN帶邊緣的界面向下彎曲，從而促進電子的界面轉移，并更容易克服肖特基勢壘以實現熱電子注入。同時TEOA與h⁺反應形成TEOA⁺，大大促進載流子分離并提高量子效率。在光催化TC降解過程中，O₂通過聚集在UTCN的CB上的光生電子轉化為?O^2-，TC最終通過?O^2-、?OH和h⁺的共同作用下分解為CO₂和H₂O。對于光催化產H₂而言，大量熱電子的注入改善了H₂還原反應。因此，通過等離子體效應和壓電效應的協同耦合，在Ag/UTCN復合體系上獲得了增強的載流子分離效率，在光催化水分解成H₂和降解抗生素污染物方面表現出更高的壓電光催化性能。

  文章第一作者為江蘇科技大學能源與動力學院在讀研究生石宇星，通訊作者為郭峰副教授與施偉龍副教授

  文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156426

作者簡介

  郭峰，2018年博士畢業于長安大學市政工程，現任江蘇科技大學副教授，碩士生導師，中國感光學會光催化專業委員會會員，江蘇省環境科學學會會員, 新加坡維澤專家庫（VE）材料科學專家委員會會員。長安大學市政工程專業博士畢業，獲工學博士學位。主要從事g-C₃N₄基復合光催化材料的設計、構筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持國家自然科學基金項目，江蘇省青年基金項目，江蘇省“青藍工程”優秀骨干教師人才項目，校級深藍杰出人才項目等10余項。近年來，共計以第一作者或通訊作者發表75篇SCI收錄論文，其中一區SCI論文36篇（影響因子≥10的 11篇），二區論文14篇，ESI高被引論文19篇，ESI熱點論文5篇，1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文，榮獲國際學術獎“最佳研究者”獎，H-index 43，國家授權發明專利3項。榮獲鎮江市“出彩教育人”、校“優秀教師”、本創“優秀指導教師”、省級競賽“優秀指導教師”等稱號，相關工作發表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平雜志。此外，擔任《Frontiers in Chemistry》客座主編以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際期刊審稿人。

  施偉龍，華中科技大學博士，鄭州大學博士后，現任江蘇科技大學副教授，碩士生導師，中國感光學會光催化專業委員會會員，江蘇省復合材料學會會員，江蘇省環境科學學會會員，江蘇省材料學會會員。主要從事碳基（碳點、氮化碳）復合光催化材料的設計、構筑以及光催化性能（降解、分解水制氫、防腐及海水淡化）等方面的研究工作。相關工作發表在Appl. Catal. B: Environ., Chem. Eng. J., ACS Appl. Mater. Interface, J. Mater. Chem A/B，Renew. Energy, Comp. Part B, J. Hazard. Mater., Sep. Purif. Technol., Inorg. Chem. Front., Appl. Surf. Sci.,等高水平雜志。截止目前，共計以第一作者或通訊作者發表83篇SCI收錄論文，其中一區SCI論文39篇（影響因子≥10的15篇），二區論文24篇，ESI高被引論文22篇，ESI熱點論文12篇，1篇獲得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳論文，H-index 46。受理發明專利2項。榮獲國際復合材料“最佳研究者”獎，入選2022年全球前2%頂尖科學家榜單（World’s Top 2% Scientists 2022）、現主持國家自然科學基金青年、江蘇省“雙創博士”、“科技副總”人才項目、河南省博士后科研項目啟動資助、河北省水資源可持續利用與開發實驗室開發基金、江蘇省產學研項目等10余項。此外，擔任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》雜志客座主編、《Photocatalysis and Photochemistry》雜志青年編委、《當代化工研究》期刊編委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余個國際Top期刊審稿人。