H₂O₂作为一种重要的化工原料得到广泛应用，特别是自2019年新冠病毒发生传播以来，作为环境消毒剂的H₂O₂需求量明显增加。然而，传统的生产方法——蒽醌法具有生产路线复杂、消耗高、环境污染严重等问题。中间水分解技术(IWS)是一种可以生产H₂O₂的绿色途径,二电子的反应过程和产品（液态双氧水和气态氢气）的自动分离使IWS相较于其他水分解过程能够更高效进行。将压电催化技术应用于IWS，为潮汐等清洁能源在实现水分解同时制备双氧水和氢气提供潜在应用前景。

中山大学王梦晔课题组开发了一种由机械力引发的高效压电催化中间水分解过程，以NaNbO₃单晶纳米立方体为催化剂，实现从纯水中同时获得H₂O₂和H₂。经过V掺杂的NaNbO₃单晶极性增加、压电响应提高、尺寸减小，比表面积增加、氧空位含量增加，从而提高了V-NaNbO₃单晶压电催化效率。10%掺V量的V-NaNbO₃表现出最好的压电催化性能，产H₂和H₂O₂量分别比纯NaNbO₃提高了4.6倍和2.2倍，反应过程中产生的溶剂化羟基使H₂O₂的产率低于H₂。V-NaNbO₃的压电催化活性为与其使用的重量成反比，反应体系中加入10毫克催化剂比50毫克的产氢量提高3.5倍。根据 DFT 计算，V-O键键长比Nb-O健键长短，V掺杂提高了NaNbO₃晶格的不对成性；此外，V掺杂降低了NaNbO₃上水分解的反应能量势垒，从而促进H₂O₂和H₂的产生。该策略为潮汐等清洁能源在水分解中提供了潜在应用。

图 1. (a-d) (a) NaNbO₃、(b) V-NaNbO₃ (5 mol%)、(c) V-NaNbO₃ (10 mol%) 和 (d) V-NaNbO₃ (15 mol%) 的 SEM 图像。(e) 不同V掺杂浓度的NaNbO₃和V-NaNbO₃的 XRD 图。(f) V-NaNbO₃生长过程示意图。

图2.(a)不同催化剂浓度的V-NaNbO₃ (10 mol%)产氢活性图；（b)不同V掺杂量的V-NaNbO₃的产氢活性图；(c)不同V掺杂量的V-NaNbO₃的每小时产氢活性图和 (d)不同V掺杂量的V-NaNbO₃的每小时产双氧水活性图。

图 3. (a) NaNbO₃在超声波振动下的压电催化机理示意图。(b-d) NaNbO₃和 V-NaNbO₃ (001) 晶面受应力时 (b) 水解离、(c)产H₂和 (d)产H₂O₂生成的自由能图。(e) 应力V-NaNbO₃ 表面上计算的析氢过程示意图和具有氧空位的V-NaNbO₃(001)晶面的原子结构。

课题组介绍：王梦晔，中山大学材料学院“百人计划”副教授，博士生导师。于2010年和2015年分别获得厦门大学化学系学士和博士学位，2013-2015年在佐治亚理工进行博士联合培养，2016-2018年在德国埃尔朗根纽伦堡大学和香港理工大学进行博士后研究。主要从事固废高值化利用和环境催化等相关研究，于Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Energy & Environmental Science、Nano Letters、Advanced Energy Materials等国际重要期刊发表SCI论文50余篇；是中国晶体学会第一届青年工作委员会委员和中国感光学会第一届青年理事会理事；担任Nano Research、Nano Research Energy、Materials Horizons、Journal of Materials Chemistry A、Materials Advances、Rare Metals、Cleaner Materials、人工晶体学报等8个期刊的编委成员。

Y. Li, L. Li, F. Liu, et al. Robust route toH₂O₂ and H₂ via intermediate water splitting enabled by capitalizing on minimum vanadium-doped piezocatalysts. Nano Research. https://doi.org/10.1007/s12274-022-4506-0.