太陽(yáng)能光催化分解水綠氫制備技術(shù)屬于前沿和顛覆性低碳技術(shù)，其走向應用的關(guān)鍵是構建高效、穩定且低成本的太陽(yáng)能驅動(dòng)半導體光催化材料薄膜（即人工光合成膜，亦被稱(chēng)為人工樹(shù)葉）。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(mǎn)足太陽(yáng)能光催化分解水制氫的實(shí)際應用需求。
自然界的植物光合作用可實(shí)現太陽(yáng)能到化學(xué)能的轉化，而植物葉子中起光合作用的光系統II和I是以鑲嵌形式存在于葉綠體的類(lèi)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(fā)，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽(yáng)材料科學(xué)國家研究中心劉崗研究團隊與國內外研究團隊合作，發(fā)展出能將半導體顆粒嵌入到液態(tài)金屬實(shí)現規模化成膜的新技術(shù)（Particle-implanting technique, PiP技術(shù)，已獲中國發(fā)明專(zhuān)利授權），并構建出形神兼備的新型仿生人工光合成膜，其具有類(lèi)似樹(shù)葉的功能，在太陽(yáng)能的驅動(dòng)下可實(shí)現水的分解獲取氫氣。近日，該研究成果以“Liquid metal-embraced photoactive films for artificial photosynthesis”為題發(fā)表于Nature Communications上。
研究人員利用熔融的低溫液態(tài)金屬作為導電集流體和粘結劑在選定基體上規模化成膜，利用輥壓技術(shù)進(jìn)行半導體顆粒的嵌入集成，實(shí)現了半導體顆粒的規模化植入（圖1）。半導體顆粒鑲嵌在液態(tài)金屬導電集流體薄膜中形成了三維立體的強接觸界面，所制備的半導體顆粒嵌入式人工光合成膜具有優(yōu)異的結構穩定性，其光生電荷收集能力也得到大幅提升（圖2）。以BiVO4（釩酸鉍）為例，嵌入式BiVO4光電極的活性相比非嵌入式BiVO4光電極高出2倍，且長(cháng)時(shí)連續工作120h幾乎無(wú)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%（圖3），遠優(yōu)于目前報道的非嵌入式大面積BiVO4光電極的活性保持率（<30%）。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，首次構建出嵌入式全固態(tài)Z型光催化材料薄膜面板，在可見(jiàn)光（>420 nm）照射下實(shí)現了滿(mǎn)足化學(xué)計量比的全分解水產(chǎn)氫和產(chǎn)氧，其活性是傳統非嵌入式金膜支撐光催化材料薄膜面板的2.9倍，超過(guò)上百小時(shí)持續運行無(wú)衰減（圖4）。?
該液態(tài)金屬鑲嵌半導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、膜結構穩定性高、易于規模化和原材料易回收等優(yōu)勢。利用商業(yè)化半導體顆粒（如ZnO、WO3和Cu2O等）結合通用輥壓技術(shù)，可實(shí)現不同半導體光活性薄膜在各種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(zhù)優(yōu)于傳統方法獲得的對照樣品。在柔性基體上集成的薄膜在大曲率彎折10萬(wàn)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出與原始薄膜近乎相同的活性（圖5）。
論文第一作者為金屬所甄超項目研究員和陳祥濤博士研究生。所外合作者包括中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所范峰滔、陳若天研究員，同濟大學(xué)徐曉翔教授，澳大利亞昆士蘭大學(xué)王連洲教授，英國薩里大學(xué)逯高清教授和日本東京大學(xué)Kazunari Domen教授。
該研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院穩定支持基礎研究領(lǐng)域青年團隊等相關(guān)項目以及新基石科學(xué)基金會(huì )資助。
全文鏈接
圖1. 基于低溫液態(tài)金屬鑲嵌半導體顆粒制備嵌入式半導體光活性薄膜
圖2. 非嵌入型與嵌入式BiVO4薄膜的光生電荷提取能力對比
圖3. 嵌入式BiVO4光電極的光電化學(xué)分解水活性評價(jià)
圖4. 利用半導體顆粒植入技術(shù)構建的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可見(jiàn)光驅動(dòng)的全分解水活性評價(jià)
圖5. 金屬鑲嵌半導體顆粒人工光合成膜制備技術(shù)具備普適性好、易規模化、膜結構穩定性高和易回收利用等優(yōu)點(diǎn)
文檔附件
