太阳能光催化分解水绿氢制备技术属于前沿和颠覆性低碳技术，其走向应用的关键是构建高效、稳定且低成本的太阳能驱动半导体光催化材料薄膜（即人工光合成膜，亦被称为人工树叶）。领域常用的薄膜制备技术因制备环境苛刻或成膜质量差，所得薄膜往往难以满足太阳能光催化分解水制氢的实际应用需求。
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II和I是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，中国科学院金属研究所沈阳材料科学国家研究中心刘岗研究团队与国内外研究团队合作，发展出能将半导体颗粒嵌入到液态金属实现规模化成膜的新技术（Particle-implanting technique, PiP技术，已获中国发明专利授权），并构建出形神兼备的新型仿生人工光合成膜，其具有类似树叶的功能，在太阳能的驱动下可实现水的分解获取氢气。近日，该研究成果以“Liquid metal-embraced photoactive films for artificial photosynthesis”为题发表于Nature Communications上。
研究人员利用熔融的低温液态金属作为导电集流体和粘结剂在选定基体上规模化成膜，利用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（图1）。半导体颗粒镶嵌在液态金属导电集流体薄膜中形成了三维立体的强接触界面，所制备的半导体颗粒嵌入式人工光合成膜具有优异的结构稳定性，其光生电荷收集能力也得到大幅提升（图2）。以BiVO4（钒酸铋）为例，嵌入式BiVO4光电极的活性相比非嵌入式BiVO4光电极高出2倍，且长时连续工作120h几乎无活性衰减。光电极从1 cm2放大至64 cm2后，面积归一化光电流密度仍可保持约70%（图3），远优于目前报道的非嵌入式大面积BiVO4光电极的活性保持率（<30%）。进一步在液态金属膜中同时嵌入BiVO4颗粒和Rh掺杂SrTiO3（Rh:SrTiO3）颗粒分别作为产氧和产氢光催化材料，首次构建出嵌入式全固态Z型光催化材料薄膜面板，在可见光（>420 nm）照射下实现了满足化学计量比的全分解水产氢和产氧，其活性是传统非嵌入式金膜支撑光催化材料薄膜面板的2.9倍，超过上百小时持续运行无衰减（图4）。
该液态金属镶嵌半导体颗粒的新型仿生人工光合成膜制备技术具有普适性好、膜结构稳定性高、易于规模化和原材料易回收等优势。利用商业化半导体颗粒（如ZnO、WO3和Cu2O等）结合通用辊压技术，可实现不同半导体光活性薄膜在各种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传统方法获得的对照样品。在柔性基体上集成的薄膜在大曲率弯折10万次以上仍可保持95%以上的初始活性。此外，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再利用，且回收再集成制得的光活性薄膜表现出与原始薄膜近乎相同的活性（图5）。
论文第一作者为金属所甄超项目研究员和陈祥涛博士研究生。所外合作者包括中国科学院大连化学物理研究所范峰滔、陈若天研究员，同济大学徐晓翔教授，澳大利亚昆士兰大学王连洲教授，英国萨里大学逯高清教授和日本东京大学Kazunari Domen教授。
该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队等相关项目以及新基石科学基金会资助。
图1. 基于低温液态金属镶嵌半导体颗粒制备嵌入式半导体光活性薄膜
图2. 非嵌入型与嵌入式BiVO4薄膜的光生电荷提取能力对比
图3. 嵌入式BiVO4光电极的光电化学分解水活性评价
图4. 利用半导体颗粒植入技术构建的嵌入式Z型仿生人工光合成面板及其可见光驱动的全分解水活性评价
图5. 金属镶嵌半导体颗粒人工光合成膜制备技术具备普适性好、易规模化、膜结构稳定性高和易回收利用等优点
院地合作