压电催化作为一种极具潜力的催化方法，已在分解水、净化废水、还原二氧化碳和抗菌等方面得到了广泛的研究。聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物因其制备简单方便回收和良好的弱力收集性能被广泛地应用在压电催化领域。石墨烯填料作为增强体，加入到PVDF中，可改善压电性能，同时提供更多的可参与催化反应的电荷。然而，对于传统的石墨烯/PVDF压电催化复合薄膜，由于石墨烯填料大部分被包裹在PVDF基体中，石墨烯上的电荷不能有效接触污染物，从而极大地影响了其压电催化性能。因此，尽管石墨烯/PVDF复合材料在压电催化方面的研究取得了一定进展，但其压电催化性能较差的问题亟需得到解决。

针对以上问题，我校材料科学与工程学院硕士研究生刘亚在张以河教授、佟望舒副教授和安琪教授的共同指导下，采用相转换和多层策略制备了一种PVDF-HFP@rGO夹层多孔膜，聚偏氟乙烯-六氟丙烯（PVDF-HFP）作为中间层，还原氧化石墨烯（rGO）作为外层，充分暴露rGO，并有效利用PVDF-HFP产生的压电电场。相比于传统的复合材料，设计的夹层结构薄膜获得了良好的压电和压电催化性能。通过对比实验分别探讨了rGO和PVDF-HFP对压电催化性能的影响，证明了压电催化中rGO的电荷供应以及PVDF-HFP中间层的压电场供应，提出了rGO的电荷供应和PVDF-HFP的压电场供应协同影响夹层膜催化性能的机制。

这项工作的创新之处如下：

（1）通过夹层结构设计提升复合薄膜的压电性能

通过相转换和多层策略制备了三明治状的夹层PVDF-HFP@rGO复合催化剂，β相含量为84%，其d₃₃，V_OC和I_SC分别为19.72 pm/V，5.91 V和0.430 μA，如图1所示。PVDF-HFP@rGO薄膜上下表面的rGO增强了PVDF-HFP的β相并更好地收集了压电信号，使PVDF-HFP@rGO薄膜的压电电势高于纯PVDF-HFP薄膜。而传统的复合多孔膜中，大部分rGO片层被PVDF-HFP包裹，易形成屏蔽压电信号的导电网络，从而减少了压电信号的输出。

（2）揭示PVDF-HFP@rGO夹层压电催化剂的催化机理

通过改变rGO含量，改变PVDF-HFP层厚度以及改变薄膜结构等条件进行对比实验，依次验证了rGO为催化提供了电荷，PVDF-HFP提供了压电场以及夹层结构对催化的积极作用。在弱力搅拌下，MB染料的降解率最高达到~98%。rGO被认为是电荷的来源，rGO含量越大，产生的自由电荷越多，参加与MB的反应；在相同搅拌条件下，越厚的PVDF-HFP提供的压电场越高，压电催化效果越好；对比成分相同但结构不同的复合压电催化剂，当rGO暴露在薄膜表面时，其催化效果最优，证明夹层结构的先进性。相关示意图如图2所示。

图1（a）KPFM图像，（b）对应的KPFM表面电位图像，（c）1 nN应力下的表面压电势，PVDF-HFP@rGO夹层多孔膜所选线上的表面电位分布。（d）PVDF-HFP@rGO夹层膜的压电-振幅电压曲线。压电薄膜的电输出（2.5 ×2.5 cm²）：施加30 N压力时，（e）开路电压和（f）短路电流信号

图2 PVDF-HFP@rGO对污染物降解的性能。（a）不同结构薄膜对MB染料的降解情况，（b）PVDF-HFP@rGO降解MB时其吸光度变化，（c）负载不同rGO含量对MB降解的影响。（d）不同PVDF-HFP厚度对MB降解的影响。静电屏蔽后不同厚度的PVDF-HFP压电夹层膜的电输出：（e）开路电压和（f）短路电流信号。（g）PVDF-HFP@rGO夹层膜对不同染料的降解和相应的（h）降解率。（i）对MB的重复降解试验

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Journal of Materials Chemistry A》上：Ya Liu, Wangshu Tong*, Wanting Song, Tingting Cao, Yulun Liu, Lingchao Wang, Zhihao Wang, Yihe Zhang*, Piezocatalytic performance enhancement using the sandwich structure of a PVDF-HFP/graphene film, Journal of Materials Chemistry A. [IF 2021=14.511]

全文链接：http://doi.org/10.1039/d2ta08651d