美合成“人造森林”納米系統

　　就在媒體大肆喧囂大氣中二氧化碳含量已達到300萬年來最高值的當下，美國能源部(DOE)勞倫斯伯克利國家實驗室的科學家們在最新一期《納米快報》上報告說，他們在開發碳中和可再生能源技術——首個全集成人工光合作用納米系統上取得了重要進展。

　　主持該項研究的伯克利實驗室材料科學部化學家楊培棟(音譯)表示，如果說“人工樹葉”是此類系統的流行語，那此次成功的關鍵就是“人造森林”。與綠色植物中進行光合作用的葉綠體相似，其人工光合系統由兩個半導體光吸收器、一個負責運輸的界面層及空間分離的助催化劑組成。在該系統中，為了促進太陽能水分解，研究人員合成了由硅“樹干”和鈦氧化物“枝杈”組成的納米線異質結構。在視覺上，這些納米結構陣列與人造森林極其相似。

　　太陽能技術是碳中和可再生能源的理想解決方案，全球一小時的陽光所蘊含的能量足以滿足人類一年所需。可將太陽能直接轉換成化學燃料的人工光合作用系統，被認為是最有前途的太陽能電池技術。人工光合作用面臨的主要挑戰是生產足夠廉價的氫以同化石燃料進行抗衡。迎接這一挑戰，需要一個集成系統來有效吸收太陽光，并產生電荷來驅動相互分離的水的還原和氧化半反應。

　　楊培棟稱，在自然光合作用中，吸收的日光能源產生帶電載流子，其可在葉綠體的不同區域執行化學反應。新研究將納米線異質結構集成進一個功能系統，以模擬葉綠體中的集成現象，這為未來提高太陽能—燃料的轉換效率提供了概念性藍圖。

　　當太陽光被葉綠體中的色素分子吸收時，產生的帶電電子經由傳輸鏈在分子間移動，直到最終驅動二氧化碳轉換成糖類。這種電子傳遞鏈被稱為“Z計劃”，因為其一側的運動模式類似于字母“Z”。楊培棟小組也在其系統中采用了“Z計劃”，他們僅使用兩種地球上較為豐裕和穩定的半導體材料——硅和鈦氧化物，同時加載助催化劑，并在它們之間插入歐姆觸層。硅用于產氫的光電陰極，鈦氧化物用于產氧的光電陽極。樹狀結構用于最大限度地提高系統性能。像現實森林中的樹木一樣，人工納米樹的茂密陣列可抑制日光反射，并為產生燃料的反應提供更多的表面。

　　在吸收了不同區域的太陽光譜后，硅和鈦氧化物中就會產生光激電子——空穴對。硅納米線中的光激電子遷移到表面，并將質子還原成氫，而在鈦氧化物納米線中的光激空穴將水氧化釋出氧分子。來自兩個半導體的大多數載流子在歐姆觸層進行重組，完成類似于自然光合作用的“Z計劃”接力。

　　在模擬日光下，這種基于納米線的集成人工光合作用系統實現了0.12%的太陽能—燃料轉換效率。與某些自然光合轉換效率相比，此效率要用于商業用途還有待大幅提高。但是，該系統的模塊化設計允許將新發現的單個組件很容易地納入進來，以提高其性能。

　　研究人員注意到，該系統的硅陰極和鈦氧化物陽極產生的光電流輸出并不匹配，陽極輸出的光電流較低，限制了系統的整體性能。目前，研究人員正在開發比鈦氧化物表現更好的光電陽極，并有望在不久的將來使能源轉換效率提高到個位數百分比的水平。