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我國科學家基于液態金屬構建“人工樹葉”取得新進展

2024-2-28 9:54:06    來源：焦作晚報

新華社沈陽2月27日電 近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心劉崗研究員團隊與國內外多個研究團隊合作，研制出將半導體顆粒嵌入液態金屬實現規模化成膜的新技術，并構建出形神兼備的新型“人工樹葉”，其具有類似樹葉的功能，可實現太陽能到化學能的轉化。相關研究成果以“液態金屬鑲嵌的人工光合成膜”為題發表于國際權威雜志《自然·通訊》上。

太陽能光催化分解水制備綠氫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（即人工光合成膜，亦稱為“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。

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，研究人員利用熔融的低溫液態金屬作為導電集流體和黏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。半導體顆粒鑲嵌在液態金屬導電集流體薄膜中形成了三維立體的強接觸界面，其結構猶如“鵝卵石路面”，使其兼具優異的結構穩定性和十分突出的光生電荷收集能力。同時嵌入產氧和產氫光催化材料，可實現“人工樹葉”的規模化制備，在可見光照射下，其光催化分解水制氫活性是傳統薄膜的2.9倍，超過上百小時持續工作無衰減。

此外，該技術還具有普適性好和原材料易回收等優勢。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。利用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。

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