光催化技术在环境修复和制氢领域显示出巨大的优势和潜力。然而，由于光生载流子的快速复合，大多数半导体光催化剂表现出有限的光催化活性。最近，等离子体金属在可见光区域显示出可调谐的吸收率；并且得益于局域表面等离子体共振（LSPR）效应，等离子体金属在光照下的光催化过程中提供了大量热电子。当等离子体金属耦合n型半导体时，LSPR产生的热电子可以注入到半导体的导带中，实现了有效的载流子迁移。同时，由于它们费米能级的差异，在接触界面处会产生内部电场，并导致半导体能带边缘向上弯曲，产生肖特基势垒。然而，过高的肖特基势垒具有高接触电阻，抑制了载流子在金属/半导体界面上自由流动。为了在等离子体金属半导体系统上成功地实现热电子注入过程，需要热电子具有足够的动能来克服肖特基势垒。因此，探索适当的策略来促进等离子体金属在界面处产生的热电子的转移，以克服肖特基势垒并实现高效的光催化性能是一个亟待解决的科学问题。

  近日，江苏科技大学郭峰/施伟龙教授课题组在《Applied Surface Science》期刊上发表了题为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。报告了一种简便的热解法制备了Ag纳米粒子负载的超薄聚合物氮化碳纳米片（Ag/UTCN）来协同压电和等离子体效应调节肖特基势垒的高度以促进热电子的注入来提高光催化活性。

  通过连续热剥离法制备了超薄石墨相氮化碳聚合物，并通过PFM验证了其压电特性。

  通过热解法成功将Ag纳米颗粒负载于超薄石墨相氮化碳聚合物表面，并通过TFM、HRTEM、XRD等证实了Ag/UTCN成功构筑。

  通过光催化产氢和降解实验测试了催化剂的性能。Ag/UTCN的光催化性能在超声和光照同时存在的情况下活性最高，并且优于目前已报道的单一光场驱动的大多数光催化剂。

  通过有限元模拟（FEM）研究了聚合物UTCN片的厚度对压电电位输出的影响。超薄纳米薄结构有利于机械能的捕获和转换。当入射光位于Ag NPs（~ 470 nm）的共振峰时，对UTCN纳米片上的Ag NPs进行了进一步的电磁模拟，二维和接触横向界面电场的电场分布，显示了聚合物UTCN纳米片表面显著的场增强位置。

  当Ag NPs与聚合物UTCN纳米片接触时，聚合物UTCN中的电子扩散到Ag NPs以实现费米能级的平衡，同时聚合物UTCN的能带向上弯曲，从而形成肖特基势垒。在仅光照条件下，聚合物UTCN的光生电子跃迁到导带（CB），而Ag通过LSPR效应产生大量热电子，但高的肖特基势垒在很大程度上抑制了Ag中的热电子成功注入聚合物UTCN的CB。而引入超声场后，UTCN纳米片中的应变感应压电场因此产生极化电荷可以吸引自由电子，导致接触界面处UTCN带边缘的界面向下弯曲，从而促进电子的界面转移，并更容易克服肖特基势垒以实现热电子注入。同时TEOA与h⁺反应形成TEOA⁺，大大促进载流子分离并提高量子效率。在光催化TC降解过程中，O₂通过聚集在UTCN的CB上的光生电子转化为?O^2-，TC最终通过?O^2-、?OH和h⁺的共同作用下分解为CO₂和H₂O。对于光催化产H₂而言，大量热电子的注入改善了H₂还原反应。因此，通过等离子体效应和压电效应的协同耦合，在Ag/UTCN复合体系上获得了增强的载流子分离效率，在光催化水分解成H₂和降解抗生素污染物方面表现出更高的压电光催化性能。

  文章第一作者为江苏科技大学能源与动力学院在读研究生石宇星，通讯作者为郭峰副教授与施伟龙副教授

  文章链接：https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2023.156426

作者简介

  郭峰，2018年博士毕业于长安大学市政工程，现任江苏科技大学副教授，硕士生导师，中国感光学会光催化专业委员会会员，江苏省环境科学学会会员, 新加坡维泽专家库（VE）材料科学专家委员会会员。长安大学市政工程专业博士毕业，获工学博士学位。主要从事g-C₃N₄基复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能等方面的研究工作。主持国家自然科学基金项目，江苏省青年基金项目，江苏省“青蓝工程”优秀骨干教师人才项目，校级深蓝杰出人才项目等10余项。近年来，共计以第一作者或通讯作者发表75篇SCI收录论文，其中一区SCI论文36篇（影响因子≥10的 11篇），二区论文14篇，ESI高被引论文19篇，ESI热点论文5篇，1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文，荣获国际学术奖“最佳研究者”奖，H-index 43，国家授权发明专利3项。荣获镇江市“出彩教育人”、校“优秀教师”、本创“优秀指导教师”、省级竞赛“优秀指导教师”等称号，相关工作发表在《Applied Catalysis B: Environmental》、《Chemical Engineering Journal》、《Journal of Hazardous Materials》、《Applied Surface Science》、《Journal of Alloys and compounds》、《Separation and Purification Technology》等高水平杂志。此外，担任《Frontiers in Chemistry》客座主编以及《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际期刊审稿人。

  施伟龙，华中科技大学博士，郑州大学博士后，现任江苏科技大学副教授，硕士生导师，中国感光学会光催化专业委员会会员，江苏省复合材料学会会员，江苏省环境科学学会会员，江苏省材料学会会员。主要从事碳基（碳点、氮化碳）复合光催化材料的设计、构筑以及光催化性能（降解、分解水制氢、防腐及海水淡化）等方面的研究工作。相关工作发表在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.,等高水平杂志。截止目前，共计以第一作者或通讯作者发表83篇SCI收录论文，其中一区SCI论文39篇（影响因子≥10的15篇），二区论文24篇，ESI高被引论文22篇，ESI热点论文12篇，1篇获得Inorganic Chemistry Frontiers期刊2020年度最佳论文，H-index 46。受理发明专利2项。荣获国际复合材料“最佳研究者”奖，入选2022年全球前2%顶尖科学家榜单（World’s Top 2% Scientists 2022）、现主持国家自然科学基金青年、江苏省“双创博士”、“科技副总”人才项目、河南省博士后科研项目启动资助、河北省水资源可持续利用与开发实验室开发基金、江苏省产学研项目等10余项。此外，担任《Frontiers in Chemistry》、《Catalysts》杂志客座主编、《Photocatalysis and Photochemistry》杂志青年编委、《当代化工研究》期刊编委以及《Applied Catalysis B: Environmental》、《ACS Catalysis》、《Journal of Hazardous Materials》、《Journal of Alloys and Compounds》、《Separation and Purification Technology》等十余个国际Top期刊审稿人。