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“雙碳”戰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，發展高效的半導體光催化材料是該技術走向應用的關鍵。經歷近半個世紀的持續研究，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，激發窄帶隙半導體產生的光生電子與空穴誘發水分解反應的驅動力不足。因此，實現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。
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團隊與國內外研究團隊合作，發展出仿生圖案化半導體光催化材料面板，實現可見光驅動下水的自發裂解產生化學計量比的氫氣和氧氣。9月26日，該研究以“An Artificial Leaf with Patterned Photocatalysts for Sunlight-Driven Water Splitting”為題發表于Journal of the American Chemical Society上。
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（亦稱作光合作用膜）中，間隔有序分布著兩種吸收可見光的光合成色素（光系統Ⅰ/Ⅱ），兩者通過電荷傳遞蛋白實現串接，受可見光激發產生的光生電荷按照Z型路徑傳遞，實現能量疊加驅動可見光下的高效光合成反應（圖1）。研究人員受此啟發，結合微納集成工藝，在氟摻雜氧化錫（FTO）透明導電玻璃上創制了圖案化的新型仿生光催化材料面板（圖2），獲得Cu2O（產氫光催化材料）與BiVO4（產氧光催化材料）兩種半導體間隔交替分布的條帶圖案。通過匹配半導體與導電基體間的功函數，形成歐姆接觸促進兩者間通過導電基體進行Z型電荷轉移，有效抑制光生電子與空穴的發光復合，延長了光生電荷的平均壽命，并實現了光生電子與空穴的空間有序分離，即分別在產氫和產氧光催化材料條帶上有序富集。從而，可見光照射下有序富集的光生電子與空穴可自發裂解水，產生化學計量比的氫氣和氧氣。該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，可顯著降低規模化應用門檻。
論文第一作者為金屬研究所甄超博士、朱洪雷博士。所外合作者包括中國科學院大連化學物理研究所范峰滔、陳若天研究員，山東大學鄭昭科教授，同濟大學徐曉翔教授和日本東京大學Kazunari Domen教授。
該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊等相關項目以及新基石科學基金會資助。
圖1. 仿生光催化材料面板與光合作用膜結構示意圖
圖2. 結合微納集成技術構筑的仿生圖案化光催化材料面板
原文鏈接：http://www.imr.cas.cn/xwzx/kydt/202409/t20240927_7382540.html
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