太阳能光催化分解水制取绿氢，是前沿和颠覆性低碳技术，在助力实现“双碳”战略目标方面极具潜力。该技术主要是利用太阳光谱中的紫外和可见光来驱动半导体光催化材料，以满足水分解所需的能量要求。其中，发展高效的半导体光催化材料是该技术走向应用的关键。经历近半个世纪的持续研究，半导体光催化材料对占比太阳光谱不足5%的紫外光的利用效率已近100%，而对占太阳光谱中占比达45%的可见光的利用效率却很低。究其原因是可见光能量较低，激发窄带隙半导体产生的光生电子与空穴诱发水分解反应的驱动力不足。因此，实现高效可见光催化分解水，是太阳能光催化分解水制氢领域的研究制高点。
近日，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，发展出仿生图案化半导体光催化材料面板，实现可见光驱动下水的自发裂解产生化学计量比的氢气和氧气。9月26日，该研究以“An Artificial Leaf with Patterned Photocatalysts for Sunlight-Driven Water Splitting”为题发表于Journal of the American Chemical Society上。
自然界中植物叶子可以高效利用可见光进行光合作用，是因为叶子中进行光合作用的场所类囊体膜（亦称作光合作用膜）中，间隔有序分布着两种吸收可见光的光合成色素（光系统Ⅰ/Ⅱ），两者通过电荷传递蛋白实现串接，受可见光激发产生的光生电荷按照Z型路径传递，实现能量叠加驱动可见光下的高效光合成反应（图1）。研究人员受此启发，结合微纳集成工艺，在氟掺杂氧化锡（FTO）透明导电玻璃上创制了图案化的新型仿生光催化材料面板（图2），获得Cu2O（产氢光催化材料）与BiVO4（产氧光催化材料）两种半导体间隔交替分布的条带图案。通过匹配半导体与导电基体间的功函数，形成欧姆接触促进两者间通过导电基体进行Z型电荷转移，有效抑制光生电子与空穴的发光复合，延长了光生电荷的平均寿命，并实现了光生电子与空穴的空间有序分离，即分别在产氢和产氧光催化材料条带上有序富集。从而，可见光照射下有序富集的光生电子与空穴可自发裂解水，产生化学计量比的氢气和氧气。该图案化光催化材料面板技术方案通用性高，易模块化组装，其与低成本微电子集成工艺无缝衔接，可显著降低规模化应用门槛。
论文第一作者为金属研究所甄超博士、朱洪雷博士。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，山东大学郑昭科教授，同济大学徐晓翔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。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c10807
图1. 仿生光催化材料面板与光合作用膜结构示意图
图2. 结合微纳集成技术构筑的仿生图案化光催化材料面板