💡这项突破是什么?
近日，南京理工大学半导体微纳结构与量子信息感知工业和信息化部重点实验室、物理学院阚二军教授课题组在压电催化理论研究方面取得新进展，相关成果以“A Multiscale Theoretical Framework of Piezocatalysis”为题发表在化学领域著名期刊《Journal of the American Chemical Society》上（https://doi.org/10.1021/jacs.6c13478）。物理学院2024级博士研究生朱翔宇为本论文的第一作者，湛诚教授和阚二军教授为通讯作者，南京理工大学为论文的第一研究单位。
压电催化可将机械能转化为化学能，在能源与环境领域具有应用潜力。然而，传统静态或准静态理论难以解释超声频率如何决定催化活性，以及最优频率的物理来源。为揭示这一机制，研究团队以超声频率为统一变量，首次将宏观气泡空化动力学、介观压电本构关系与微观反应动力学纳入同一多尺度理论框架，建立了从超声输入、压电势到催化活性的定量联系。
计算结果表明，在所研究的低频瞬态空化条件下，超声频率升高会增加有效催化触发次数，同时削弱气泡塌陷压力，两种效应的竞争使催化活性呈现先升后降的火山型频率关系。机电耦合分析进一步发现，钛酸钡的压电势受到弹性各向异性与介电屏蔽的显著影响，因此不能仅凭压电系数判断催化性能。在此基础上，研究团队构建了频率—厚度—活性相图，预测的频率依赖趋势与已有文献中钛酸钡催化罗丹明B降解的实验结果相吻合。团队还将模型拓展至氧化锌、铌酸钾和极化聚偏氟乙烯等材料，均得到类似的非单调频率响应，进一步验证了该框架对不同材料体系的适用性。这些结果为压电催化材料选择、尺寸设计与超声条件优化提供了理论依据。
图1 压电催化多尺度理论框架示意图
本研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金、南京理工大学国防基础研究稳定支持等项目的资助，得到南京理工大学“半导体微纳结构与量子信息感知工业和信息化部重点实验室”的支持。
