一：研究背景

压电光催化因其利用机械能提升光催化性能而在污水处理中备受关注。通过在材料表面形成极化电荷，压电光催化可调节肖特基势垒，促进光生载流子分离，从而提高废水处理和空气净化效率。然而，机械能利用率低和可回收性差限制了其广泛应用。

石墨型碳氮化物（g-C3N4）作为一种无金属聚合物，因其可调节带隙和高度离域的π-共轭体系，在压电和光催化领域受到关注。但其存在聚集、电荷分离不足和机械能利用率低等问题，亟需创新策略提升其性能和可回收性。

静电纺丝技术可制备具有小孔径、大比表面积和连通孔隙结构的复合纳米纤维膜，已被用于合成多种纳米纤维光催化剂。该技术通过高压电场将聚合物溶液拉成超细纤维，形成柔性纳米纤维膜。后处理可使纳米纤维膜抑制光催化剂聚集并提高回收效率。尽管静电纺丝的有机-无机复合纳米纤维膜表现出良好的压电性能和使用寿命，但其缺乏可拉伸性，限制了其从水流和超声波中高效获取机械能的能力，影响了实际应用。因此，可拉伸性、纳米纤维结构、压电性和催化能力之间的关系仍需深入研究。

二：研究摘要

提高催化剂的可持续性对于压电光催化降解污水的实际应用至关重要。山西大学物理与电子工程学院马杰教授教授团队，以Highly stretchable TPU/g-C3N4 composite nanofiber film for enhancing the piezo-photocatalytic sewage treatment by electrospinning-induced pretension为题在《npj Clean Water》发布了与之有关的最新研究，在该研究中，通过静电纺丝技术制备了高度可拉伸的压电复合纳米纤维膜，采用TPU/g-C₃N₄混合物作为原料。TPU纳米纤维与g-C₃N₄少层的紧密结合对g-C₃N₄施加了预应力，并增强了复合膜的机械性能，使其最大拉伸应变和应力分别达到862%和6.90 MPa。在300 W超声波辅助下，TPU/0.2g g-C₃N₄复合纳米纤维膜的光催化能力提高了43%，并且在12次重复实验后仍保持了近100%的初始性能。通过第一性原理计算研究了单轴应变下单层g-C₃N₄的电子、压电和光学性质，结果表明，沿扶手椅方向的拉伸可以使平面内压电系数翻倍，而沿扶手椅方向的压缩则会同时改变七嗪环内的电荷分布，并调节氧分子的吸附位点和能量。因此，超声波诱导的动态应变可以显著增强光催化效果。对电子工业废水的降解实验展示了这种催化复合纳米纤维膜的实际应用潜力。本研究为开发高效的污水光催化处理系统提供了一种开创性的策略。

三：核心研究内容

1. 复合纳米纤维膜的制备和结构特性

通过静电纺丝技术，将TPU和g-C₃N₄混合溶液制备了高度可拉伸的压电复合纳米纤维膜。TPU作为基底材料，提供了良好的柔韧性和机械强度，而g-C₃N₄作为活性组分，增强了光催化性能。二者的紧密结合对g-C₃N₄施加了预应力，并增强了复合膜的机械性能。（图1）

2. 复合纳米纤维膜的机械性能

图3b展示了TPU/g-C₃N₄复合纳米纤维膜的应力-应变曲线。随着g-C₃N₄含量的增加，复合膜的拉伸应变和应力显著提高。其中，复合膜的最大拉伸应变和应力分别达到862%和6.90 MPa。（图3）

3. 光催化性能的提升

在300 W超声波辅助下，TPU/0.2g g-C₃N₄复合纳米纤维膜的光催化能力提高了43%（图4c），并且在12次重复实验后仍保持了近100%的初始性能（图5e），显示出良好的稳定性和可重复使用性。

4. 理论计算支持

结论内容：通过第一性原理计算研究了单轴应变下单层g-C₃N₄的电子、压电和光学性质，结果表明，沿扶手椅方向的拉伸可以使平面内压电系数翻倍，而沿扶手椅方向的压缩则会同时改变七嗪环内的电荷分布，并调节氧分子的吸附位点和能量。

5. 实际应用潜力

结论内容：对电子工业废水的降解实验展示了这种催化复合纳米纤维膜的实际应用潜力。图7a展示了基于TPU/g-C₃N₄复合膜的压电光催化污水处理系统，该系统由超声波池、光源阵列和膜模块组成。图7b展示了处理电子工业废水时COD的降解曲线。经过150分钟的处理，废水的化学需氧量（COD）从15,000 mg/L降低到4,300 mg/L，满足进入生物处理的水质标准。图7c比较了不同处理方式（光催化、压电催化和压电光催化）的能量消耗。结果表明，压电光催化在处理难降解废水时表现出较低的能量消耗。

四：结论

提高催化剂的可持续性对于压电光催化降解污水的实际应用至关重要。本研究通过静电纺丝技术制备了高度可拉伸的压电复合纳米纤维膜，采用TPU/g-C₃N₄混合物作为原料。TPU纳米纤维与g-C₃N₄少层的紧密结合对g-C₃N₄施加了预应力，并增强了复合膜的机械性能，使其最大拉伸应变和应力分别达到862%和6.90 MPa。在300 W超声波辅助下，TPU/0.2g g-C₃N₄复合纳米纤维膜的光催化能力提高了43%，并且在12次重复实验后仍保持了近100%的初始性能。

通过第一性原理计算研究了单轴应变下单层g-C₃N₄的电子、压电和光学性质，结果表明，沿扶手椅方向的拉伸可以使平面内压电系数翻倍，而沿扶手椅方向的压缩则会同时改变七嗪环内的电荷分布，并调节氧分子的吸附位点和能量。因此，超声波诱导的动态应变可以显著增强光催化效果。

对电子工业废水的降解实验展示了这种催化复合纳米纤维膜的实际应用潜力。本研究为开发高效的污水光催化处理系统提供了一种开创性的策略。

文章来源：https://doi.org/10.1038/s41545-025-00452-8

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