中国科学家研发“人工树叶”仿生膜，实现太阳能高效化学能转化
    中新网北京2月26日电 (记者 孙自法)模仿自然界的植物光合作用以实现太阳能向化学能的革命性转化，并推动其实现产业化应用，这一长期备受关注的科研难题如今取得重大突破。中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心刘岗研究团队携手国内外多个科研团队，成功开发出一种创新技术——将半导体颗粒嵌入液态金属中形成规模化薄膜，由此构建出性能卓越且形神兼备的新型仿生人工光合成膜，因其与树叶功能相似而被形象地称为“人工树叶”，标志着太阳能到化学能转化效率跃升至全新高度。
    近日，这项由中国科学家主导的重要新能源材料研究成果论文以《液态金属镶嵌的人工光合成膜》为题，在国际权威学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表。论文通讯、研究员刘岗强调，基于太阳能光催化分解水制氢的绿氢生产技术是一项前沿颠覆性的低碳技术，其迈向实用的关键在于打造高效、稳定且成本低廉的太阳能驱动半导体光催化材料薄膜，即“人工树叶”。然而，当前常用的薄膜制备技术受限于苛刻的制备条件或较差的成膜质量，无法满足实际的太阳能光催化分解水制氢需求。
    在自然界，植物叶片中的光系统II和光系统I如同镶嵌在叶绿体类囊体膜中的精密元件，正是这种结构特征确保了自然光合作用的有效运行。研究团队受此启发，巧妙运用熔融的低温液态金属作为导电集流体和粘结剂，在选定基体上实现规模化薄膜成形，并结合辊压技术集成半导体颗粒，成功达成半导体颗粒的大规模植入。
    刘岗指出，半导体颗粒宛如鹅卵石路面般牢固镶嵌于液态金属导电集流体薄膜内，形成三维立体强接触界面，不仅赋予薄膜极佳的结构稳定性，还展现出极为突出的光生电荷收集能力。例如，相较于传统的非嵌入式钒酸铋光电极，嵌入式钒酸铋颗粒的光电极活性显著提升两倍，并在连续120小时工作后几乎无活性衰减；当光电极面积放大至64平方厘米时，单位面积光电流密度仍能保持约70%，远超过目前大面积钒酸铋光电极普遍低于30%的活性保持率。
    在此基础之上，团队进一步同时嵌入产氧和产氢两种光催化材料，成功研制出可规模化生产的光催化分解水制氢面板，在可见光照射下，其活性较传统非嵌入式金薄膜支撑的光催化材料膜提高了近3倍，且持续上百小时工作无明显衰减。
    值得一提的是，新研发的液态金属成膜新技术具有普适性强、原材料易回收等优势。研究人员证实，通过使用商业化半导体颗粒如氧化锌、三氧化钨、氧化亚铜等，可在不同基体上规模化制备出各种半导体颗粒薄膜，且所得颗粒嵌入式薄膜性能均优于对照的非嵌入式样品。
    此外，该技术展示出出色的柔韧性和循环利用性，即便在柔性基体上集成的薄膜经过大曲率弯折10万次后，依然能够保持95%以上的初始活性。而在回收再利用方面，只需简单进行热水超声处理，即可分离并回收半导体颗粒、低温液态金属以及基体材料，并且回收再集成后的“人工树叶”薄膜依旧表现出与原始薄膜近乎相同的高活性。这一成果的问世，无疑为太阳能转化为化学能的工业化进程注入强劲动力。(完)