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加快打造原始創(chuàng)新策源地,加快突破關(guān)鍵核心技術(shù),努力搶占科技制高點(diǎn),為把我國建設(shè)成為世界科技強(qiáng)國作出新的更大的貢獻(xiàn)。

——習(xí)近平總書記在致中國科學(xué)院建院70周年賀信中作出的“兩加快一努力”重要指示要求

面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康,率先實(shí)現(xiàn)科學(xué)技術(shù)跨越發(fā)展,率先建成國家創(chuàng)新人才高地,率先建成國家高水平科技智庫,率先建設(shè)國際一流科研機(jī)構(gòu)。

——中國科學(xué)院辦院方針

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【中國科學(xué)報(bào)】圖案化“人工樹葉”實(shí)現(xiàn)定制太陽能分解水制氫

2024-10-09 中國科學(xué)報(bào) 沈春蕾
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結(jié)合微納集成技術(shù)構(gòu)筑的仿生圖案化光催化材料面板。劉崗團(tuán)隊(duì)供圖

中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心研究員劉崗團(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。近日,相關(guān)研究成果發(fā)表于《美國化學(xué)會志》。

據(jù)了解,太陽能光催化分解水制取綠氫技術(shù)在助力實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)方面具有較大潛力。該技術(shù)主要利用太陽光譜中的紫外和可見光驅(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。

近半個(gè)世紀(jì)的研究顯示,半導(dǎo)體光催化材料對在太陽光譜中占比不足5%的紫外光的利用效率已近100%,而對在太陽光譜中占比達(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)。

研究還發(fā)現(xiàn),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)行光合作用的類囊體膜中,間隔有序分布著兩種吸收可見光的光合成色素,二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)。

劉崗團(tuán)隊(duì)的研究人員受此啟發(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“人工樹葉”,即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)二者間通過導(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。由此,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。

據(jù)悉,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)?;瘧?yīng)用門檻。

相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1021/jacs.4c10807

(原載于《中國科學(xué)報(bào)》?2024-10-09?第3版?領(lǐng)域)

打印 責(zé)任編輯:梁春雨

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