我國科學(xué)家基于液態(tài)金屬構(gòu)建“人工樹葉”取得新進展
2月27日電(記者王瑩)近日,中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心劉崗研究員團隊與國內(nèi)外多個研究團隊合作,研制出將半導(dǎo)體顆粒嵌入液態(tài)金屬實現(xiàn)規(guī)模化成膜的新技術(shù),并構(gòu)建出形神兼?zhèn)涞男滦汀叭斯淙~”,其具有類似樹葉的功能,可實現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。相關(guān)研究成果以“液態(tài)金屬鑲嵌的人工光合成膜”為題發(fā)表于國際權(quán)威雜志《自然?通訊》上。
太陽能光催化分解水制備綠氫技術(shù)屬于前沿和顛覆性低碳技術(shù),其走向應(yīng)用的關(guān)鍵是構(gòu)建高效、穩(wěn)定且低成本的太陽能驅(qū)動半導(dǎo)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(shù)因制備環(huán)境苛刻或成膜質(zhì)量差,難以滿足太陽能光催化分解水制氫的實際應(yīng)用需求。
植物葉子中起光合作用的光系統(tǒng)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。受此啟發(fā),研究人員利用熔融的低溫液態(tài)金屬作為導(dǎo)電集流體和粘結(jié)劑在選定基體上規(guī)模化成膜,結(jié)合輥壓技術(shù)進行半導(dǎo)體顆粒的嵌入集成,實現(xiàn)了半導(dǎo)體顆粒的規(guī)模化植入。半導(dǎo)體顆粒鑲嵌在液態(tài)金屬導(dǎo)電集流體薄膜中形成了三維立體的強接觸界面,其結(jié)構(gòu)猶如“鵝卵石路面”,使其兼具優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和十分突出的光生電荷收集能力。同時嵌入產(chǎn)氧和產(chǎn)氫光催化材料,可實現(xiàn)“人工樹葉”的規(guī)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(tǒng)薄膜的2.9倍,超過上百小時持續(xù)工作無衰減。
此外,該技術(shù)還具有普適性好和原材料易回收等優(yōu)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(dǎo)體顆粒、低溫液態(tài)金屬以及基體進行分離回收再利用。
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