新型人工樹葉可更高效地實現太陽光解水制氫

　　近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心研究員劉崗團隊與國內外多個研究團隊合作，研制出新型仿生人工光合成膜，又稱為人工樹葉，可實現太陽能到化學能的轉化。2月23日，相關研究成果發表于《自然—通訊》。

　　據了解，自然界的植物光合作用可實現太陽能到化學能的轉化，而植物葉子中起光合作用的光系統是以鑲嵌形式存在于葉綠體的類囊體膜中，這一特征是自然光合作用能有效運行的重要結構基礎。

　　受此啟發，劉崗團隊的研究人員利用熔融的低溫液態金屬作為導電集流體和粘結劑在選定基體上規模化成膜，結合輥壓技術進行半導體顆粒的嵌入集成，實現了半導體顆粒的規模化植入。半導體顆粒鑲嵌在液態金屬導電集流體薄膜中形成了三維立體的強接觸界面，其結構猶如“鵝卵石路面”，不僅具有優異的結構穩定性還具有突出的光生電荷收集能力。

　　研究人員以BiVO4（釩酸鉍）為例介紹，嵌入式BiVO4顆粒的光電極活性相比傳統的非嵌入式BiVO4光電極高出2倍，且長時連續工作120小時幾乎無活性衰減。光電極從1平方厘米放大至64 平方厘米后，單位面積的光電流密度仍可保持約70%，遠優于目前報道大面積BiVO4光電極的活性保持率。進一步同時嵌入產氧和產氫光催化材料，可實現光催化分解水制氫薄膜面板的規模化制備，在可見光照射下，其活性是傳統非嵌入式金薄膜支撐光催化材料膜的近3倍，超過上百小時持續工作無衰減。

　　另據了解，該技術還具有普適性好和原材料易回收等優勢。利用商業化半導體顆粒可實現不同半導體光活性薄膜在不同基體上的規模化制備，所獲得的顆粒嵌入式薄膜的活性均顯著優于對照的非嵌入式樣品。在柔性基體上集成的薄膜在大曲率彎折10萬次后仍可保持95%以上的初始活性。利用簡單的熱水超聲處理，即可將半導體顆粒、低溫液態金屬以及基體進行分離回收再利用，且回收再集成獲得的人工光合成薄膜表現出與原始薄膜近乎相同的活性。