我國科學(xué)家基于液態(tài)金屬構(gòu)建“人工樹葉”取得新進(jìn)展
更新時(shí)間：2024-2-28 9:54:06 來源：焦作晚報(bào)
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新華社沈陽2月27日電 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(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，研制出將半導(dǎo)體顆粒嵌入液態(tài)金屬實(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(yùn)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)電集流體和黏結(jié)劑在選定基體上規(guī)模化成膜，結(jié)合輥壓技術(shù)進(jìn)行半導(dǎo)體顆粒的嵌入集成，實(shí)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(qiáng)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(shí)嵌入產(chǎn)氧和產(chǎn)氫光催化材料，可實(shí)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(shí)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(jìn)行分離回收再利用。
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新華社沈陽2月27日電 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(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)合作，研制出將半導(dǎo)體顆粒嵌入液態(tài)金屬實(shí)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(shí)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(dòng)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(shí)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(yùn)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)電集流體和黏結(jié)劑在選定基體上規(guī)模化成膜，結(jié)合輥壓技術(shù)進(jìn)行半導(dǎo)體顆粒的嵌入集成，實(shí)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(qiáng)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(shí)嵌入產(chǎn)氧和產(chǎn)氫光催化材料，可實(shí)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(shí)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(jìn)行分離回收再利用。
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