華科學家構建“人工樹葉”

近日，中國科學院金屬研究所瀋陽材料科學國家研究中心劉崗研究員團隊與國內外多個研究團隊合作，研製出將半導體顆粒嵌入液態金屬實現規模化成膜的新技術，並構建出形神兼備的新型“人工樹葉”。

新型“人工樹葉”具有類似樹葉的功能，可實現太陽能到化學能的轉化。相關研究成果以“液態金屬鑲嵌的人工光合成膜”為題發表於國際權威雜誌《自然 · 通訊》上。

太陽能光催化分解水製備綠氫技術屬於前沿和顛覆性低碳技術，其走向應用的關鍵是構建高效、穩定且低成本的太陽能驅動半導體光催化材料薄膜（即人工光合成膜，亦稱為“人工樹葉”）。目前常用的薄膜製備技術因製備環境苛刻或成膜質量差，難以滿足太陽能光催化分解水制氫的實際應用需求。

眾所周知，自然界的植物通過光合作用實現太陽能到化學能的轉化。而植物葉子中起光合作用的兩種光系統是以鑲嵌形式存在於葉綠體的類囊體膜中，這一特徵是光合作用能有效運行的重要結構基礎。科研人員受此啟發，發明了基於液態金屬構建的“人工樹葉”新技術。

研究人員利用熔融的低溫液態金屬作為導電集流體和黏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”，使其兼具優異的結構穩定性和十分突出的光生電荷收集能力。同時嵌入產氧和產氫光催化材料，可實現“人工樹葉”的規模化製備，在可見光照射下，其光催化分解水制氫活性是傳統薄膜的二點九倍，超過上百小時持續工作無衰減。

嵌入式釩酸鉍材料的光電極從一平方厘米放大至六十四平方厘米後，單位面積的光電流密度仍可保持約七成，遠優於此前大面積釩酸鉍光電極的活性保持率(<30%)。此外，該技術還具有普適性好和原材料易回收等優勢。在柔性基體上集成的薄膜在大曲率彎折十萬次後仍可保持百分之九十五以上的初始活性。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。

水 登