南京大学高冠道Nature子刊：超声激活聚合物的压电催化性能

　　活性氧种（ROS）的可控生成在生物、化学和环境领域都具有重要的作用。特别是在声动力学治疗中，压电催化（piezoelectric catalysis）凭借高组织穿透性和定向引导特点，可原位高效产生ROS。然而，目前的压电ROS催化剂压电系数较低、对环境安全有害、化学稳定性差，限制了压电催化的发展。因此，开发新型压电材料可以说是亟待解决的挑战。

　　近期，南京大学的高冠道等人开发了一种方法，可诱导惰性的聚四氟乙烯（PTFE）颗粒形成压电驻极体（electret）。研究显示，对PTFE驻极体进行连续超声辐照可产生ROS，并且其产生速率显著高于已见报道的压电催化剂。这一研究初步发现了PTFE作为新型压电催化剂的潜力，为进一步发展传感、柔性器件等方面的应用奠定了基础。相关工作以“Ultrasonic activation of inert poly(tetrafluoroethylene) enables piezocatalytic generation of reactive oxygen species”为题发表在Nature Communications。

　　【文章要点】

　　一、PTFE压电性能活化的物理机制

　　PTFE作为一种典型的非极性聚合物驻极体材料，是能够长期存储电荷或者极化的电介质。同时，大量的研究也表明，驻极体材料具有巨大的压电系数。因此，研究人员对PTFE颗粒以及薄膜进行超声辐照，再利用压电响应力显微镜（PFM）来检测被诱导PTFE的压电性能。PFM表征显示，被超声辐照的PTFE可诱导产生强大的局部压电性能。超声波能够促使气泡的形成和崩塌，而瞬间崩塌的超声空化气泡又能产生极端高压（约100 Mpa）和电场（约100 kV/m）。一方面，这些极端的超声压力又可以使PTFE产生巨大形变，导致永久的结构缺陷；另一方面，并发产生的电场能够产生的电荷，这些电荷随后被困在PTFE结构缺陷里，最终造成驻极体状态，展现可产生ROS的声催化性能（图1）。

　　图1超声辐照下PTFE可压电催化产生ROS

　　二、PTFE的压电性能和ROS产生评价

　　研究进一步发现，不间断的超声压力波可以持续刺激压电PTFE驻极体产生迅速交变的内部电压，从而驱动电荷到PTFE-水界面并最终产生ROS。为了探索压电PTFE的应用前景，研究人员验证了PTFE分解甲基橙染料的能力。实验表明，在60分钟的超声辐照后，PTFE可以以准一级速率常数2.81 h-1来分解甲基橙，分解程度可达89.7 ± 2.9%。此外在抗菌实验中，由PTFE制成的薄膜在超声辐照下可有效抑制细菌的生长，其抑制率可达99.7%。这些结果均表明，超声辐照激活的PTFE展现出了优异的压电催化性能，在污水处理、生物医学等方面具有广阔的应用前景。

　　图2PTFE压电催化剂的潜在应用

　　文献链接：

　　https://www.nature.com/articles/s41467-021-23921-3

　　来源：高分子科学前沿

　　声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！