中國網/中國發展門戶網訊 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II和I是以鑲嵌形式存在於葉綠體的類囊體膜中，這一特徵是自然光合作用能有效運作的重要結構基礎。受此啟發，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團隊與國內外多個研究團隊合作，發展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倣生人工光合成膜，其具有類似樹葉的功能，可實現太陽能到化學能的轉化。2月23日，該研究成果以“Liquid metal-embraced photoactive films for artificial photosynthesis”（ 液態金屬包裹的人工光合成膜）為題發表于《自然通訊》（Nature Communications）上。

基於低溫液態金屬鑲嵌半導體顆粒製備嵌入式半導體光活性薄膜

太陽能光催化分解水綠氫製備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。目前常用的薄膜製備技術因製備環境苛刻或成膜品質差，難以滿足太陽能光催化分解水制氫的實際應用需求。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整合，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”，使得其不僅具有優異的結構穩定性還具有十分突出的光生電荷收集能力。以BiVO₄（釩酸鉍）為例，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120h幾乎無活性衰減。光電極從1平方釐米放大至64 平方釐米後，單位面積的光電流密度仍可保持約70%，遠優於目前報道大面積BiVO₄光電極的活性保持率（<30%）。進一步同時嵌入整合的産氧和産氫光催化材料，可實現光催化分解水制氫面板的規模化製備，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。

此外，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（如ZnO、WO₃和Cu₂O等）可實現不同半導體光活性薄膜在不同基體上的規模化製備，所獲得的顆粒嵌入式薄膜的活性均顯著優於對照的非嵌入式樣品。在柔性基體上整合的薄膜在大曲率彎折10萬次後仍可保持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，且回收再整合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。