近日，中国科学院金属研究所研究员刘岗团队与国内外多个研究团队合作，研制出新型仿生人工光合成膜，又称人工树叶，可实现太阳能到化学能的转化。相关研究成果近日发表于《自然-通讯》。自然界的植物光合作用可实现太阳能到化学能的转化，而植物叶子中起光合作用的光系统以镶嵌形式存在于叶绿体的类囊体膜中。这一特征是自然光合作用能有效运行的重要结构基础。受此启发，刘岗团队以熔融的低温液态金属为导电集流体和黏结剂在选定基体上规模化成膜，结合辊压技术进行半导体颗粒的嵌入集成，实现了半导体颗粒的规模化植入。半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中形成三维立体的强接触界面，其结构犹如铺满鹅卵石的路，不仅具有优异的结构稳定性，还具有突出的光生电荷收集能力。研究人员以钒酸铋为例介绍，嵌入式钒酸铋颗粒的光电极活性比传统的非嵌入式钒酸铋光电极高两倍，前者连续工作120小时几乎无活性衰减。光电极从1平方厘米放大至64平方厘米后，单位面积的光电流密度仍可保持约70%，远优于目前报道的大面积钒酸铋光电极的活性保持率。同时嵌入产氧和产氢光催化材料，可实现光催化分解水制氢薄膜面板的规模化制备，在可见光照射下，其活性是传统非嵌入式金薄膜支撑光催化材料膜的近3倍，可持续工作上百小时无衰减。此外，该技术还具有普适性好和原材料易回收等优势。利用商业化半导体颗粒可实现不同半导体光活性薄膜在不同基体上的规模化制备，所获得的颗粒嵌入式薄膜的活性均显著优于对照的非嵌入式样品。在柔性基体上集成的薄膜在大曲率弯折10万次后，仍可保持95%以上的初始活性。利用简单的热水超声处理，即可将半导体颗粒、低温液态金属以及基体进行分离回收，实现再利用，且回收再集成获得的人工光合成薄膜表现出与原始薄膜近乎相同的活性。相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-024-46073-6（原载于《中国科学报》 2024-02-28 第1版 要闻）