中国网/中国发展门户网讯 自然界的植物光合作用可实现太阳能到化学能的转化，而植物叶子中起光合作用的光系统II和I是以镶嵌形式存在于叶绿体的类囊体膜中，这一特征是自然光合作用能有效运行的重要结构基础。受此启发，近日，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与国内外多个研究团队合作，发展出将半导体颗粒嵌入液态金属实现规模化成膜的新技术，并构建出形神兼备的新型仿生人工光合成膜，其具有类似树叶的功能，可实现太阳能到化学能的转化。2月23日，该研究成果以“Liquid metal-embraced photoactive films for artificial photosynthesis”（ 液态金属包裹的人工光合成膜）为题发表于《自然通讯》（Nature Communications）上。

基于低温液态金属镶嵌半导体颗粒制备嵌入式半导体光活性薄膜

太阳能光催化分解水绿氢制备技术属于前沿和颠覆性低碳技术，其走向应用的关键是构建高效、稳定且低成本的太阳能驱动半导体光催化材料薄膜。目前常用的薄膜制备技术因制备环境苛刻或成膜质量差，难以满足太阳能光催化分解水制氢的实际应用需求。研究人员利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规模化成膜，结合辊压技术进行半导体颗粒的嵌入集成，实现了半导体颗粒的规模化植入。半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中形成了三维立体的强接触界面，其结构犹如“鹅卵石路面”，使得其不仅具有优异的结构稳定性还具有十分突出的光生电荷收集能力。以BiVO₄（钒酸铋）为例，嵌入式BiVO₄颗粒的光电极活性相比传统的非嵌入式BiVO₄光电极高出2倍，且长时连续工作120h几乎无活性衰减。光电极从1平方厘米放大至64 平方厘米后，单位面积的光电流密度仍可保持约70%，远优于目前报道大面积BiVO₄光电极的活性保持率（<30%）。进一步同时嵌入集成的产氧和产氢光催化材料，可实现光催化分解水制氢面板的规模化制备，在可见光照射下，其活性是传统非嵌入式金薄膜支撑光催化材料膜的近3倍，超过上百小时持续工作无衰减。

此外，该技术还具有普适性好和原材料易回收等优势。利用商业化半导体颗粒（如ZnO、WO₃和Cu₂O等）可实现不同半导体光活性薄膜在不同基体上的规模化制备，所获得的颗粒嵌入式薄膜的活性均显著优于对照的非嵌入式样品。在柔性基体上集成的薄膜在大曲率弯折10万次后仍可保持95%以上的初始活性。利用简单的热水超声处理，即可将半导体颗粒、低温液态金属以及基体进行分离回收再利用，且回收再集成获得的人工光合成薄膜表现出与原始薄膜近乎相同的活性。