中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 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團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外研究團(tuán)隊(duì)合作，發(fā)展出仿生圖案化半導(dǎo)體光催化材料面板，實(shí)現(xiàn)可見光驅(qū)動下水的自發(fā)裂解產(chǎn)生化學(xué)計(jì)量比的氫氣和氧氣。相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會雜志》上。

仿生光催化材料面板與光合作用膜結(jié)構(gòu)示意圖

太陽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”目標(biāo)方面極具潛力。該技術(shù)主要是利用太陽光譜中的紫外和可見光來驅(qū)動半導(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(dá)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(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)動力不足。因此，實(shí)現(xiàn)高效可見光催化分解水，是太陽能光催化分解水制氫領(lǐng)域的研究制高點(diǎn)。

自然界中植物葉子可以高效利用可見光進(jìn)行光合作用，是因?yàn)槿~子中進(jìn)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(tǒng)Ⅰ/Ⅱ），兩者通過電荷傳遞蛋白實(shí)現(xiàn)串接，受可見光激發(fā)產(chǎn)生的光生電荷按照Z型路徑傳遞，實(shí)現(xiàn)能量疊加驅(qū)動可見光下的高效光合成反應(yīng)。研究人員受此啟發(fā)，結(jié)合微納集成工藝，在氟摻雜氧化錫（FTO）透明導(dǎo)電玻璃上創(chuàng)制了圖案化的新型仿生光催化材料面板，獲得Cu₂O（產(chǎn)氫光催化材料）與BiVO₄（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。通過匹配半導(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，延長了光生電荷的平均壽命，并實(shí)現(xiàn)了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。從而，可見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。該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縫銜接，可顯著降低規(guī)模化應(yīng)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(xué)院大連化學(xué)物理研究所范峰滔、陳若天研究員，山東大學(xué)鄭昭科教授，同濟(jì)大學(xué)徐曉翔教授和日本東京大學(xué)Kazunari Domen教授。