首次实现MOC压电催化！分析测试中心助力我校刘军民团队研发双压电Z型异质结实现太阳能-机械能协同高效水分解

       在“双碳”目标驱动下，发展清洁、高效的能源转换技术是实现可持续发展的关键。利用太阳能和水生产氢气和过氧化氢的光催化水分解技术备受瞩目，但其效率常受限于光生电荷复合快、依赖牺牲剂等瓶颈。压电催化能将机械能（如超声波）转化为化学能，为水分解提供了新路径，然而兼具高效光响应与强压电性能的材料体系仍然稀缺。

       中山大学材料科学与工程学院刘军民教授团队首次报道了具有本征压电特性的金属有机笼（MOC-FA3），并通过超分子作用，将其与同样具有压电特性的β-酮烯胺连接的共价有机框架材料（S-COF）复合，成功构建了双压电Z型异质结（MOC-FA3/S-COF）。该异质结在可见光与超声波（40 kHz， 60 W）协同作用下，实现了纯水全分解制氢和制过氧化氢的高效协同催化，产率分别高达 1297.6 和 1304.2 μmol g^-1 h^-1，性能位居同类材料前列，且相比单一S-COF材料提升了1.95倍和2.06倍。更为重要的是，研究首次证实MOC材料本身具有显著的压电效应。

       此项研究的核心创新在于，通过分子工程引入不对称性，首次在金属有机笼中实现了本征压电性，突破了传统对称性材料的限制，开创了MOC压电新材料类；将压电MOC与压电COF结合，构建了双压电Z型异质结，形成了内置电场相互增强、电荷沿Z型路径定向转移的独特结构，极大促进了光生载流子的分离与利用；结合原位高压光谱、压电力显微镜（PFM）、开尔文探针力显微镜（KPFM）及理论计算，揭示了应变诱导的压电场与Z型界面电荷转移的协同机制，明确了Pd位点（产氢）和C²–C³位点（产过氧化氢）为关键活性中心。

图 1 Z型异质结MOC-FA3/S-COF的水分解机理图：（A）可见光下的光催化路径；（B）超声波与光照协同作用下的压电-光催化协同路径
 

       该成果以 “A Dual-Piezoelectric Metal-Organic Cage/COF Z-Scheme Heterojunction for Solar-Mechanical Water Splitting”为题，发表于国际权威期刊《Advanced Science》（DOI：https://doi.org/10.1002/advs.202523030）。中山大学材料科学与工程学院博士生李鑫奥为第一作者，中山大学刘军民教授和吉林大学杨新一教授为通讯作者。该研究工作得到国家自然科学基金以及中山大学分析测试中心的大力支持。
 

       研究过程中，中山大学分析测试中心提供了关键技术支撑。为明确目标复合材料的力-电耦合响应特性，本研究委托中心龚力老师对系列样品开展了压电性质的系统性表征，涵盖压电系数测定、力致电荷分离行为测试及压电响应性质评估等核心内容。为测定金属有机笼的精确分子量，本研究委托中心朱新海和陈子龙老师对MOCs材料开展不同电荷态的电喷雾电离质谱（ESI-MS）表征，通过捕获2+至6+等多电荷态信号，结合理论分子量计算，验证了MOC-FA3的成功组装及结构完整性。
 

       这些精准、可靠的表征数据，为阐释材料独特的压电-光电协同催化机制、以及其卓越的水分解性能提供了坚实的实验基础，是本研究取得突破性成果的重要支撑。

图2 MOC-FA3、S-COF和复合材料的压电特性表征

图3 MOC-FA3的质谱分析

所用仪器1：四极杆-飞行时间质谱联用仪    型号：布鲁克-道尔顿 timsTOF

所用仪器2：原子力显微镜  型号：Dimension XR