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“人工树叶”获得重要进展！或可在未来解决能源危机问题

文章来源：新能源网更新时间：2024-03-12 16:25:28

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员团队与国内外多个研究团队合作，研制出将半导体颗粒嵌入液态金属实现规模化成膜的新技术，并构建出形神兼备的新型“人工树叶”，其具有类似树叶的功能，可实现太阳能到化学能的转化。

太阳能光催化分解水制备绿氢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，亦称为“人工树叶”）。目前常用的薄膜制备技术因制备环境苛刻或成膜质量差，难以满足太阳能光催化分解水制氢的实际应用需求。

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，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，结合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。

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，其结构犹如“鹅卵石路面”，使其兼具优异的结构稳定性和十分突出的光生电荷收集能力。同时嵌入产氧和产氢光催化材料，可实现“人工树叶”的规模化制备，在可见光照射下，其光催化分解水制氢活性是传统薄膜的2.9倍，超过上百小时持续工作无衰减。

1、揭秘“人造树叶”

那么，“人造树叶”究竟是什么呢？

相信不少人对这项科技还不太熟悉。简单来说，“人造树叶”就是一种可以模拟植物光合作用的人造材料。这种材料的大小如同扑克牌，它能够将阳光、水和二氧化碳转化为可持续的燃料。

地球上的可再生能源有很多。现如今，我们已经拥有风能、水能、太阳能等多种可再生能源，为什么还要制造这样的“人造树叶”呢？主要是因为很多可再生能源都有一个共同的问题——不便储存和运输。

如果把风能或太阳能储存起来或者运送到其他地方去使用，我们就需要电池、电线、变压器等复杂而昂贵的设备。而且这些设备会占用很多空间，并且在运输过程中也会损耗一部分能量。

而“人造树叶”具有良好的可控性，可以在不同环境下进行人工调节，甚至可以直接使用在现有的内燃机设备上，并且不需要任何改造。此外，人造树叶还具有较高的生产效率，可以大规模生产，使得绿色能源逐渐成为现实。

那么，“人造树叶”是怎么做到这一点的呢？这就不得不谈到它的组成物质。

“人造树叶”其实是由多层材料制成的一个小片。其中最重要的两层是光吸收层和催化层。

催化层就像植物中进行光合作用的叶绿素一样，它可以利用电子来促进水和二氧化碳之间的反应，并生成乙醇和丙醇；光吸收层就像植物中收集阳光的分子一样，它可以吸收太阳光并将其转化为电子。

当然，“人造树叶”还有其他一些层来实现保护、隔离、传导等功能，但是最核心的原理就是利用阳光来制造液体燃料。

相比之下，传统的化石能源不仅污染环境，而且数量有限，难以满足未来社会的能源需求。而“人造树叶”不仅能够为人类提供足够的能源，还能有效减少二氧化碳排放，减缓气候变化的速度，进而缓解全球变暖问题。

2、竞争激烈的“人造树叶”研究赛道

实际上，科学家对“人造树叶”的研究已经进行了20多年。

早在1998年，美国科罗拉多州国家可再生能源实验室的约翰·特纳博士就研制出了世界上第一片“人造树叶”。但当时他所用的材料是非常罕有的稀有金属，不仅造价高昂而且非常不稳定，生命周期最多只有一天。

2016年1月21日，一名皇家艺术学院的研究生朱利安·梅尔基奥里，利用蚕丝纤维的稳定性，将植物中提取的叶绿体，嵌入蚕丝蛋白中，制造了一种新型的“人造树叶”，它可以吸收水和二氧化碳来产生氧气，实现自主呼吸。这种树叶被称为“Silk Leaf”。研究表明，相对于普通树叶，它的“工作”效率提高了49%，需要的却仅仅是一点阳光和水。

近些年来，随着环境问题的的逐渐加剧，各国纷纷投入到“人造树叶”的创新研究中。

2023年3月，欧盟“A-LEAF”项目团队在《能源与环境科学》杂志上撰文指出，他们研制出了一款“人造树叶”系统，能模仿自然界的光合作用，将二氧化碳和水转化为可持续燃料，创下10%的太阳能—燃料转化效率新纪录。这是首款太阳能—燃料转化率比天然树叶高一个数量级的“人造树叶”，为实现能源转型提供了可持续解决方案。

在创新“人造树叶”研发的赛道上，中国也不甘人后。

2020年，为攻克人工光合作用领域“卡脖子”技术，中国科学院院士、瑞典皇家工程院院士孙立成选择全职回国任教。目前就职于西湖大学人工光合作用与太阳能燃料中心，担任主任一职。

回国3年来，孙立成院士的科研团队不断壮大。近期，他通过线上演讲，向青少年科普“未来能源”，吸引500多万网友观看。他介绍，目前团队正通过构建“人造树叶”来生产绿氢，已经取得了一定成果，希望为未来科技提供技术支撑。

现如今，英国剑桥大学的研究团队利用“人造树叶”制成清洁液体燃料，是这一领域的一座新的里程碑。但是，展望未来，要想让“人造树叶”真正成为主流能源，还需要面临一些挑战。

首先是成本问题。目前“人造树叶”的生产成本还相对较高，需要更多的投入才能实现商业化应用。

其次是技术难题。虽然“人造树叶”技术已经取得了一定的进展，但要实现工业化应用，还需要克服一些技术难题，例如稳定性、耐久性等。

由此可见，“人造树叶”这条清洁能源的创新之路，仍旧任重而道远。

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