【儀表網 研發快訊】太陽能光催化分解水綠氫制備技術屬于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，亦被稱為人工樹葉)。領域常用的薄膜制備技術因制備環境苛刻或成膜質量差，所得薄膜往往難以滿足太陽能光催化分解水制氫的實際應用需求。
 

　　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，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心劉崗研究團隊與國內外研究團隊合作，發展出能將半導體顆粒嵌入到液態金屬實現規模化成膜的新技術(Particle-implanting technique, PiP技術，已獲中國發明專利授權)，并構建出形神兼備的新型仿生人工光合成膜，其具有類似樹葉的功能，在太陽能的驅動下可實現水的分解獲取氫氣。近日，該研究成果以“Liquid metal-embraced photoactive films for artificial photosynthesis”為題發表于Nature Communications上。
 

　　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，利用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(圖1)。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，所制備的半導體顆粒嵌入式人工光合成膜具有優異的結構穩定性，其光生電荷收集能力也得到大幅提升(圖2)。以BiVO4(釩酸鉍)為例，嵌入式BiVO4光電極的活性相比非嵌入式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 cm2放大至64 cm2后，面積歸一化光電流密度仍可保持約70%(圖3)，遠優于目前報道的非嵌入式大面積BiVO4光電極的活性保持率(<30%)。進一步在液態金屬膜中同時嵌入BiVO4顆粒和Rh摻雜SrTiO3(Rh:SrTiO3)顆粒分別作為產氧和產氫光催化材料，首次構建出嵌入式全固態Z型光催化材料薄膜面板，在可見光(>420 nm)照射下實現了滿足化學計量比的全分解水產氫和產氧，其活性是傳統非嵌入式金膜支撐光催化材料薄膜面板的2.9倍，超過上百小時持續運行無衰減(圖4)。
 

　　該液態金屬鑲嵌半導體顆粒的新型仿生人工光合成膜制備技術具有普適性好、膜結構穩定性高、易于規模化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)結合通用輥壓技術，可實現不同半導體光活性薄膜在各種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傳統方法獲得的對照樣品。在柔性基體上集成的薄膜在大曲率彎折10萬次以上仍可保持95%以上的初始活性。此外，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，且回收再集成制得的光活性薄膜表現出與原始薄膜近乎相同的活性(圖5)。
 

　　論文第一作者為金屬所甄超項目研究員和陳祥濤博士研究生。所外合作者包括中國科學院大連化學物理研究所范峰滔、陳若天研究員，同濟大學徐曉翔教授，澳大利亞昆士蘭大學王連洲教授，英國薩里大學逯高清教授和日本東京大學Kazunari Domen教授。
 

　　該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊等相關項目以及新基石科學基金會資助。
 

圖1. 基于低溫液態金屬鑲嵌半導體顆粒制備嵌入式半導體光活性薄膜
 

圖2. 非嵌入型與嵌入式BiVO4薄膜的光生電荷提取能力對比
 

圖3. 嵌入式BiVO4光電極的光電化學分解水活性評價
 

　　圖4. 利用半導體顆粒植入技術構建的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可見光驅動的全分解水活性評價

 

　　圖5. 金屬鑲嵌半導體顆粒人工光合成膜制備技術具備普適性好、易規模化、膜結構穩定性高和易回收利用等優點