我國科學家領銜研發液態金屬成膜新技術

　　自然界的植物光合作用可實現太陽能到化學能的轉化，如何模仿這一過程來實現太陽能的轉化利用和產業化，長期以來備受關注。

　　記者2月26日從中國科學院金屬研究所獲悉，該所沈陽材料科學國家研究中心劉崗研究團隊與中外多個團隊合作，最新研發出將半導體顆粒嵌入液態金屬實現規模化成膜的新技術，并以此為基礎成功構建出形神兼備的新型仿生人工光合成膜——因其具有類似樹葉的功能而被形象稱為“人工樹葉”，可實現太陽能到化學能的轉化。

　　這項由中國科學家領導完成的重要新能源材料研究成果論文，近日以“液態金屬鑲嵌的人工光合成膜”為題在國際學術期刊《自然-通訊》(Nature Communications)上發表。

　　論文通訊作者劉崗研究員指出，基于太陽能光催化分解水的綠氫制備技術屬于前沿和顛覆性低碳技術，其走向應用的關鍵是構建高效、穩定且低成本的太陽能驅動半導體光催化材料薄膜即“人工樹葉”。目前，常用的薄膜制備技術因制備環境苛刻或成膜質量差，難以滿足太陽能光催化分解水制氫的實際應用需求。

　　在自然界，植物光合作用實現太陽能到化學能的轉化過程中，植物葉子中起光合作用的光系統II和光系統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有效運行的重要結構基礎。

　　受此啟發，在本項研究中，研究團隊利用熔融的低溫液態金屬作為導電集流體和粘結劑在選定基體上規模化成膜，結合輥壓技術進行半導體顆粒的嵌入集成，實現了半導體顆粒的規模化植入。

　　劉崗介紹說，半導體顆粒鑲嵌在液態金屬導電集流體薄膜中形成三維立體的強接觸界面，其結構猶如“鵝卵石路面”，使得其不僅具有優異的結構穩定性還具有十分突出的光生電荷收集能力。以釩酸鉍為例，嵌入式釩酸鉍顆粒的光電極活性相比傳統的非嵌入式釩酸鉍光電極高出2倍，且長時連續工作120小時幾乎無活性衰減；光電極從1平方厘米放大至64平方厘米后，單位面積的光電流密度仍可保持約70%，遠優于目前所知大面積釩酸鉍光電極小于30%的活性保持率。

　　在此基礎上，進一步同時嵌入產氧和產氫光催化材料，可實現光催化分解水制氫面板的規模化制備，在可見光照射下，其活性是傳統非嵌入式金薄膜支撐光催化材料膜的近3倍，超過上百小時持續工作無衰減。

　　劉崗表示，本次研發的液態金屬成膜新技術還具有普適性好和原材料易回收等優勢，利用氧化鋅、三氧化鎢、氧化亞銅等商業化半導體顆粒，可實現不同半導體顆粒薄膜在不同基體上的規模化制備，所獲得的顆粒嵌入式薄膜的活性均顯著優于對照的非嵌入式樣品。

　　此外，在柔性基體上集成的薄膜在大曲率彎折10萬次后仍可保持95%以上的初始活性。在循環和高效利用方面，通過簡單的熱水超聲處理，即可將半導體顆粒、低溫液態金屬以及基體進行分離回收再利用，且回收再集成獲得的人工光合成薄膜表現出與原始薄膜近乎相同的活性。(完)