繼成功構建出新型仿生人工光合成膜——因其具有類似樹葉光合作用的功能而被形象稱為“人工樹葉”之后，中國科研團隊最新又領銜在太陽能光催化分解水制取綠氫領域取得重要突破：研發(fā)出仿生圖案化半導體光催化材料面板，實現(xiàn)可見光驅(qū)動下水的自發(fā)裂解產(chǎn)生化學計量比的氫氣和氧氣。

記者10月21日從中國科學院金屬研究所獲悉，這項新能源應用研究的重要進展成果，由該所沈陽材料科學國家研究中心劉崗研究團隊領導中外合作伙伴共同完成，相關論文近日在國際專業(yè)學術期刊《美國化學會雜志》發(fā)表。

仿生光催化材料面板與光合作用膜結(jié)構示意圖。中國科學院金屬研究所/供圖

研究團隊認為，最新研發(fā)的仿生圖案化光催化材料面板技術方案通用性高，易模塊化組裝，其與低成本微電子集成工藝無縫銜接，可顯著降低規(guī)?；瘧瞄T檻。

論文通訊作者劉崗研究員指出，自然界中植物葉子可以高效利用可見光進行光合作用，是因為葉子中進行光合作用的場所類囊體膜(也稱光合作用膜)中，間隔有序分布著光系統(tǒng)Ⅰ/Ⅱ兩種吸收可見光的光合成色素，兩者通過電荷傳遞蛋白實現(xiàn)串接，受可見光激發(fā)產(chǎn)生的光生電荷按照Z型路徑傳遞，實現(xiàn)能量疊加驅(qū)動可見光下的高效光合成反應。

受自然界植物光合作用的啟發(fā)，本次研究結(jié)合微納集成工藝，在氟摻雜氧化錫透明導電玻璃上創(chuàng)制出圖案化的新型仿生光催化材料面板，獲得產(chǎn)氫光催化材料、產(chǎn)氧光催化材料兩種半導體間隔交替分布的條帶圖案。

研究團隊進一步通過匹配半導體與導電基體間的功函數(shù)，形成歐姆接觸促進兩者間通過導電基體進行Z型電荷轉(zhuǎn)移，有效抑制光生電子與空穴的發(fā)光復合，延長了光生電荷的平均壽命，并實現(xiàn)光生電子與空穴的空間有序分離，即分別在產(chǎn)氫和產(chǎn)氧光催化材料條帶上有序富集。

劉崗表示，在此基礎上，本項研究實現(xiàn)可見光照射下有序富集的光生電子與空穴可自發(fā)裂解水，產(chǎn)生化學計量比的氫氣和氧氣。

結(jié)合微納集成技術構筑的仿生圖案化光催化材料面板。中國科學院金屬研究所/供圖

他介紹說，太陽能光催化分解水制取綠氫，是前沿和顛覆性低碳技術，在助力實現(xiàn)“雙碳”(碳達峰、碳中和)戰(zhàn)略目標方面極具潛力。該技術主要是利用太陽光譜中的紫外和可見光來驅(qū)動半導體光催化材料，以滿足水分解所需的能量要求。其中，發(fā)展高效的半導體光催化材料是該技術走向應用的關鍵。

經(jīng)歷近半個世紀的持續(xù)研究，半導體光催化材料對占比太陽光譜不足5%的紫外光的利用效率已近100%，而對占太陽光譜中占比達45%的可見光的利用效率卻很低。究其原因是可見光能量較低，激發(fā)窄帶隙半導體產(chǎn)生的光生電子與空穴誘發(fā)水分解反應的驅(qū)動力不足。因此，實現(xiàn)高效可見光催化分解水，是太陽能光催化分解水制氫領域的研究制高點。