中新網(wǎng)北京10月21日電 (記者 孫自法)繼成功構(gòu)建出新型仿生人工光合成膜——因其具有類似樹葉光合作用的功能而被形象稱為“人工樹葉”之后，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)最新又領(lǐng)銜在太陽(yáng)能光催化分解水制取綠氫領(lǐng)域取得重要突破：研發(fā)出仿生圖案化半導(dǎo)體光催化材料面板，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光驅(qū)動(dòng)下水的自發(fā)裂解產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比的氫氣和氧氣。

　　記者10月21日從中國(guó)科學(xué)院金屬研究所獲悉，這項(xiàng)新能源應(yīng)用研究的重要進(jìn)展成果，由該所沈陽(yáng)材料科學(xué)國(guó)家研究中心劉崗研究團(tuán)隊(duì)領(lǐng)導(dǎo)中外合作伙伴共同完成，相關(guān)論文近日在國(guó)際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志》發(fā)表。

　　研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，最新研發(fā)的仿生圖案化光催化材料面板技術(shù)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(wú)縫銜接，可顯著降低規(guī)模化應(yīng)用門檻。

　　論文通訊作者劉崗研究員指出，自然界中植物葉子可以高效利用可見(jiàn)光進(jìn)行光合作用，是因?yàn)槿~子中進(jìn)行光合作用的場(chǎng)所類囊體膜(也稱光合作用膜)中，間隔有序分布著光系統(tǒng)Ⅰ/Ⅱ兩種吸收可見(jiàn)光的光合成色素，兩者通過(guò)電荷傳遞蛋白實(shí)現(xiàn)串接，受可見(jiàn)光激發(fā)產(chǎn)生的光生電荷按照Z(yǔ)型路徑傳遞，實(shí)現(xiàn)能量疊加驅(qū)動(dòng)可見(jiàn)光下的高效光合成反應(yīng)。

　　受自然界植物光合作用的啟發(fā)，本次研究結(jié)合微納集成工藝，在氟摻雜氧化錫透明導(dǎo)電玻璃上創(chuàng)制出圖案化的新型仿生光催化材料面板，獲得產(chǎn)氫光催化材料、產(chǎn)氧光催化材料兩種半導(dǎo)體間隔交替分布的條帶圖案。

　　研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步通過(guò)匹配半導(dǎo)體與導(dǎo)電基體間的功函數(shù)，形成歐姆接觸促進(jìn)兩者間通過(guò)導(dǎo)電基體進(jìn)行Z型電荷轉(zhuǎn)移，有效抑制光生電子與空穴的發(fā)光復(fù)合，延長(zhǎng)了光生電荷的平均壽命，并實(shí)現(xiàn)光生電子與空穴的空間有序分離，即分別在產(chǎn)氫和產(chǎn)氧光催化材料條帶上有序富集。

　　劉崗表示，在此基礎(chǔ)上，本項(xiàng)研究實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光照射下有序富集的光生電子與空穴可自發(fā)裂解水，產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比的氫氣和氧氣。

　　他介紹說(shuō)，太陽(yáng)能光催化分解水制取綠氫，是前沿和顛覆性低碳技術(shù)，在助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”(碳達(dá)峰、碳中和)戰(zhàn)略目標(biāo)方面極具潛力。該技術(shù)主要是利用太陽(yáng)光譜中的紫外和可見(jiàn)光來(lái)驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體光催化材料，以滿足水分解所需的能量要求。其中，發(fā)展高效的半導(dǎo)體光催化材料是該技術(shù)走向應(yīng)用的關(guān)鍵。

　　經(jīng)歷近半個(gè)世紀(jì)的持續(xù)研究，半導(dǎo)體光催化材料對(duì)占比太陽(yáng)光譜不足5%的紫外光的利用效率已近100%，而對(duì)占太陽(yáng)光譜中占比達(dá)45%的可見(jiàn)光的利用效率卻很低。究其原因是可見(jiàn)光能量較低，激發(fā)窄帶隙半導(dǎo)體產(chǎn)生的光生電子與空穴誘發(fā)水分解反應(yīng)的驅(qū)動(dòng)力不足。因此，實(shí)現(xiàn)高效可見(jiàn)光催化分解水，是太陽(yáng)能光催化分解水制氫領(lǐng)域的研究制高點(diǎn)。(完)