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，該所瀋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，並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。

圖1. 以低溫液態金屬鑲嵌半導體顆粒製備嵌入式半導體光活性薄膜

圖2. 非嵌入型與嵌入式BiVO4薄膜的光生電荷萃取能力比較

圖3. 嵌入式BiVO4光電極的光電化學分解水活性評價

圖4. 利用半導體顆粒植入技術建構的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可見光驅動的全分解水活性評價

圖5. 金屬鑲嵌半導體顆粒人工光合成膜製備技術具備一般性佳、易規模化、膜結構穩定性高及易回收等優點

論文通訊作者劉崗研究員指出，基於太陽能光催化分解水的綠氫製備技術屬於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，常用的薄膜製備技術因製備環境嚴苛或成膜品質差，難以滿足太陽能光催化分解水製氫的實際應用需求。

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，是以鑲嵌形式存在於葉綠體的類囊體膜中，這一特徵是自然光合作用能有效運作的重要結構基礎。

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平方公分放大至64平方公分後，單位面積的光電流密度仍可維持約70%，遠優於目前所知大面積釩酸鉍光電極小於30%的活性維持率。

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製氫面板的規模化製備，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，超過數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膜在不同基體上的規模化製備，所獲得的顆粒嵌入式薄膜的活性均顯著優於對照的非嵌入式樣品。

此外，在柔性基體上整合的薄膜在大曲率彎折10萬次後仍可保持95%以上的初始活性。在循環和高效利用方面，透過簡單的熱水超音波處理，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，且回收再整合所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。