科研进展 | 南科大机械系胡程志团队在压电光催化微纳机器人技术方面取得新进展

图1. 微纳米机器人的应用

微纳米机器人是跨越机器人技术、信息技术、微纳技术、材料科学等学科的高度跨领域学科，在精准医疗领域带来革命性药物递送和靶向治疗技术，近年来在环境修复与治理方面的应用也越来越受到重视。胡程志副教授课题组在微纳米机器人研究领域取得了诸多研究成果。光驱微纳机器人的功能和运动特性取决于表面不对称性的氧化还原反应，提升光催化活性是增强其运动特性并高效应用与不同领域的有效方法。通过在光电半导体中引入内置电场增强光生载流子分离效率，为提升光催化活性提出了新的方法，如图2所示。铁电材料能够发生自发极化，其极化电场能够有效分离光电半导体的光生电子-空穴对，显著提升光催化活性。铁电材料具有压电效应，通过应力能够引起铁电材料体心离子发生位移，改变极化状态，纳米铁电材料内部极化电场在机械波作用下可交替放大和减小。

图2.铁电/光电半导体异质结的压电光催化机理。

本研究提出的基于铁电极化提升光催化性能的设计理念，采用静电纺丝技术构筑一种芯-壳结构铁电/光电半导体氧化物异质结，并在超声波和紫外光共同机理下实现了压电光催化能力的提升，在环境修复与治理等方面具有很好的应用前景，如图3所示。

图3.（a）溶胶-凝胶法结合静电纺丝技术制备BaTiO3纳米纤维和BaTiO3@TiO2芯-壳结构纳米纤维，（b）压电原子力显微技术表征纳米尺度铁/压电性，（c）组成纳米纤维的电偶极子生长机理和铁电畴调控概念图。

铁电/光电半导体异质结的内建电场，不仅能够通过高效分离光生载流子，提升光催化活性，而且能够在光照和外部环境中分散的微小机械能（水波、震动、噪声等）共同激励条件下降解有机污染物，在环境修复与治理方面具有潜在的应用价值。铁电/光电半导体异质结作为催化剂，在机械波波和光辐射共同激励作用下具有较高的协同压电光催化性能，在微纳机器人实现环境治理与修复方面具有巨大的应用潜力，如图4所示。

图4.不同超声波和紫外光辐射条件下的催化性能研究。（a）降解速率和（b）降解效率随时间变化图，（c）降解过程的动力学一级线性拟合，（d）催化速率常数k值比较图。

南方科技大学机械与能源工程系为第一通讯单位，胡程志副教授为唯一通讯作者。付比博士为第一作者，研究生李建杰、蒋怀德、何小丽、马艳梅、及王璟珂等为共同作者。

本研究得到了深圳市仿生机器人与智能系统重点实验室，广东省高校人体增强与康复机器人重点实验室，国家自然科学基金，深圳科技创新计划，广东省自然科学基金，以及深圳科技创新委员会的资助。

文章链接：

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285521010909

DOI: https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106841

机械与能源工程系

来源| 胡程志课题组 

编辑| D.Su