近日，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心研究員劉崗團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，研制出新型仿生人工光合成膜，又稱為人工樹葉，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。2月23日，相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然—通訊》。
據(jù)了解，自然界的植物光合作用可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，而植物葉子中起光合作用的光系統(tǒng)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(yùn)行的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。
受此啟發(fā)，劉崗團(tuán)隊(duì)的研究人員利用熔融的低溫液態(tài)金屬作為導(dǎo)電集流體和粘結(jié)劑在選定基體上規(guī)模化成膜，結(jié)合輥壓技術(shù)進(jìn)行半導(dǎo)體顆粒的嵌入集成，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體顆粒的規(guī)模化植入。半導(dǎo)體顆粒鑲嵌在液態(tài)金屬導(dǎo)電集流體薄膜中形成了三維立體的強(qiáng)接觸界面，其結(jié)構(gòu)猶如“鵝卵石路面”，不僅具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)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(tǒng)的非嵌入式BiVO4光電極高出2倍，且長(zhǎng)時(shí)連續(xù)工作120小時(shí)幾乎無(wú)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(yuǎn)優(yōu)于目前報(bào)道大面積BiVO4光電極的活性保持率。進(jìn)一步同時(shí)嵌入產(chǎn)氧和產(chǎn)氫光催化材料，可實(shí)現(xiàn)光催化分解水制氫薄膜面板的規(guī)模化制備，在可見(jiàn)光照射下，其活性是傳統(tǒng)非嵌入式金薄膜支撐光催化材料膜的近3倍，超過(guò)上百小時(shí)持續(xù)工作無(wú)衰減。
另?yè)?jù)了解，該技術(shù)還具有普適性好和原材料易回收等優(yōu)勢(shì)。利用商業(yè)化半導(dǎo)體顆粒可實(shí)現(xiàn)不同半導(dǎo)體光活性薄膜在不同基體上的規(guī)模化制備，所獲得的顆粒嵌入式薄膜的活性均顯著優(yōu)于對(duì)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(wàn)次后仍可保持95%以上的初始活性。利用簡(jiǎn)單的熱水超聲處理，即可將半導(dǎo)體顆粒、低溫液態(tài)金屬以及基體進(jìn)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(xiàn)出與原始薄膜近乎相同的活性。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46073-6
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