【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】太陽能光催化分解水綠氫制備技術(shù)屬于前沿低碳技術(shù)。這一技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵是構(gòu)建高效、穩(wěn)定且低成本的太陽能驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體光催化材料薄膜（即人工光合成膜，又稱人工樹葉）。該領(lǐng)域常用的薄膜制備技術(shù)因制備環(huán)境苛刻或成膜質(zhì)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(shí)際應(yīng)用需求。

自然界的植物光合作用可實(shí)現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，而植物葉子中起光合作用的光系統(tǒng)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夠有效運(yùn)行的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。受此啟發(fā)，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國(guó)家研究中心劉崗研究團(tuán)隊(duì)與國(guó)內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)展出可將半導(dǎo)體顆粒嵌入液態(tài)金屬實(shí)現(xiàn)規(guī)模化成膜的新技術(shù)（PiP技術(shù)，已獲中國(guó)發(fā)明專利授權(quán)），并構(gòu)建出形神兼?zhèn)涞男滦头律斯す夂铣赡ぁ＿@一合成膜具有類似樹葉的功能，在太陽能的驅(qū)動(dòng)下可實(shí)現(xiàn)水的分解獲取氫氣。近日，相關(guān)研究成果以Liquid metal-embraced photoactive films for artificial photosynthesis為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。

該研究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，利用輥壓技術(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；所制備的半導(dǎo)體顆粒嵌入式人工光合成膜具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其光生電荷收集能力得到提升。以釩酸鉍（BiVO₄）為例，嵌入式BiVO₄光電極的活性相比非嵌入式BiVO₄光電極高2倍，且長(zhǎng)時(shí)連續(xù)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%，優(yōu)于目前報(bào)道的非嵌入式大面積BiVO₄光電極的活性保持率。進(jìn)一步，在液態(tài)金屬膜中同時(shí)嵌入BiVO₄顆粒和Rh摻雜SrTiO₃（Rh:SrTiO₃）顆粒分別作為產(chǎn)氧和產(chǎn)氫光催化材料，研究首次構(gòu)建出嵌入式全固態(tài)Z型光催化材料薄膜面板，在可見光照射下實(shí)現(xiàn)了滿足化學(xué)計(jì)量比的全分解水產(chǎn)氫和產(chǎn)氧，其活性是傳統(tǒng)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(shí)持續(xù)運(yùn)行無衰減。 

該液態(tài)金屬鑲嵌半導(dǎo)體顆粒的新型仿生人工光合成膜制備技術(shù)具有普適性好、膜結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高、易于規(guī)模化和原材料易回收等優(yōu)勢(shì)。研究發(fā)現(xiàn)，利用商業(yè)化半導(dǎo)體顆粒（如ZnO、WO₃和Cu₂O等）結(jié)合通用輥壓技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)不同半導(dǎo)體光活性薄膜在各種基體上的規(guī)模化制備，所獲得的顆粒嵌入式薄膜的活性均顯著優(yōu)于傳統(tǒng)方法獲得的對(duì)照樣品。研究顯示，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(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，且回收再集成制得的光活性薄膜表現(xiàn)出與原始薄膜近乎相同的活性。

研究工作得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃等的支持。
 

 基于低溫液態(tài)金屬鑲嵌半導(dǎo)體顆粒制備嵌入式半導(dǎo)體光活性薄膜