液态金属造出“人工树叶”
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2024-02-28 21:08:51
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新华社沈阳2月27日电（记者王莹）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员团队与国内外多个研究团队合作，研制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“人工树叶”，其具有类似树叶的功能，可实现太阳能到化学能的转化。相关研究成果以“液态金属镶嵌的人工光合成膜”为题发表于国际权威杂志《自然·通讯》上。
太阳能光催化分解水制备绿氢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（即人工光合成膜，亦称为“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。
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，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”，使其兼具优异的结构稳定性和十分突出的光生电荷收集能力。同时嵌入产氧和产氢光催化材料，可实现“人工树叶”的规模化制备，在可见光照射下，其光催化分解水制氢活性是传统薄膜的2.9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。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。
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