中国科学家领衔研发液态金属成膜新技术 成功构建新型“人工树叶”

这项由中国科学家领导完成的重要新能源材料研究成果论文，近日以“液态金属镶嵌的人工光合成膜”为题在国际学术期刊《自然-通讯》(Nature Communications)上发表。

图1. 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

图2. 非嵌入型与嵌入式BiVO4薄膜的光生电荷提取能力对比

图3. 嵌入式BiVO4光电极的光电化学分解水活性评价

图4. 利用半导体颗粒植入技术构建的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可见光驱动的全分解水活性评价

图5. 金属镶嵌半导体颗粒人工光合成膜制备技术具备普适性好、易规模化、膜结构稳定性高和易回收利用等优点

论文通讯作者刘岗研究员指出，基于太阳能光催化分解水的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即“人工树叶”。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。

在自然界，植物光合作用实现太阳能到化学能的转化过程中，植物叶子中起光合作用的光系统II和光系统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，在本项研究中，研究团队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。

刘岗介绍说，半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中形成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。以钒酸铋为例，嵌入式钒酸铋颗粒的光电极活性相比传统的非嵌入式钒酸铋光电极高出2倍，且长时连续工作120小时几乎无活性衰减；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%，远优于目前所知大面积钒酸铋光电极小于30%的活性保持率。

在此基础上，进一步同时嵌入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。

刘岗表示，本次研发的液态金属成膜新技术还具有普适性好和原材料易回收等优势，利用氧化锌、三氧化钨、氧化亚铜等商业化半导体颗粒，可实现不同半导体颗粒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。

此外，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。在循环和高效利用方面，通过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。