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“人工樹葉”獲得重要進展！或可在未來解決能源危機問題

文章來源：新能源網更新時間：2024-03-12 16:25:28

近日，中國科學院金屬研究所沈陽材料科學國家研究中心劉崗研究員團隊與國內外多個研究團隊合作，研制出將半導體顆粒嵌入液態金屬實現規模化成膜的新技術，并構建出形神兼備的新型“人工樹葉”，其具有類似樹葉的功能，可實現太陽能到化學能的轉化。

太陽能光催化分解水制備綠氫技術屬于前沿和顛覆性低碳技術，其走向應用的關鍵是構建高效、穩定且低成本的太陽能驅動半導體光催化材料薄膜（即人工光合成膜，亦稱為“人工樹葉”）。目前常用的薄膜制備技術因制備環境苛刻或成膜質量差，難以滿足太陽能光催化分解水制氫的實際應用需求。

植物葉子中起光合作用的光系統II和I是以鑲嵌形式存在于葉綠體的類囊體膜中，這一特征是自然光合作用能有效運行的重要結構基礎。受此啟發，研究人員利用熔融的低溫液態金屬作為導電集流體和粘結劑在選定基體上規模化成膜，結合輥壓技術進行半導體顆粒的嵌入集成，實現了半導體顆粒的規模化植入。

半導體顆粒鑲嵌在液態金屬導電集流體薄膜中形成了三維立體的強接觸界面，其結構猶如“鵝卵石路面”，使其兼具優異的結構穩定性和十分突出的光生電荷收集能力。同時嵌入產氧和產氫光催化材料，可實現“人工樹葉”的規模化制備，在可見光照射下，其光催化分解水制氫活性是傳統薄膜的2.9倍，超過上百小時持續工作無衰減。

1、揭秘“人造樹葉”

那么，“人造樹葉”究竟是什么呢？

相信不少人對這項科技還不太熟悉。簡單來說，“人造樹葉”就是一種可以模擬植物光合作用的人造材料。這種材料的大小如同撲克牌，它能夠將陽光、水和二氧化碳轉化為可持續的燃料。

地球上的可再生能源有很多。現如今，我們已經擁有風能、水能、太陽能等多種可再生能源，為什么還要制造這樣的“人造樹葉”呢？主要是因為很多可再生能源都有一個共同的問題——不便儲存和運輸。

如果把風能或太陽能儲存起來或者運送到其他地方去使用，我們就需要電池、電線、變壓器等復雜而昂貴的設備。而且這些設備會占用很多空間，并且在運輸過程中也會損耗一部分能量。

而“人造樹葉”具有良好的可控性，可以在不同環境下進行人工調節，甚至可以直接使用在現有的內燃機設備上，并且不需要任何改造。此外，人造樹葉還具有較高的生產效率，可以大規模生產，使得綠色能源逐漸成為現實。

那么，“人造樹葉”是怎么做到這一點的呢？這就不得不談到它的組成物質。

“人造樹葉”其實是由多層材料制成的一個小片。其中最重要的兩層是光吸收層和催化層。

催化層就像植物中進行光合作用的葉綠素一樣，它可以利用電子來促進水和二氧化碳之間的反應，并生成乙醇和丙醇；光吸收層就像植物中收集陽光的分子一樣，它可以吸收太陽光并將其轉化為電子。

當然，“人造樹葉”還有其他一些層來實現保護、隔離、傳導等功能，但是最核心的原理就是利用陽光來制造液體燃料。

相比之下，傳統的化石能源不僅污染環境，而且數量有限，難以滿足未來社會的能源需求。而“人造樹葉”不僅能夠為人類提供足夠的能源，還能有效減少二氧化碳排放，減緩氣候變化的速度，進而緩解全球變暖問題。

2、競爭激烈的“人造樹葉”研究賽道

實際上，科學家對“人造樹葉”的研究已經進行了20多年。

早在1998年，美國科羅拉多州國家可再生能源實驗室的約翰·特納博士就研制出了世界上第一片“人造樹葉”。但當時他所用的材料是非常罕有的稀有金屬，不僅造價高昂而且非常不穩定，生命周期最多只有一天。

2016年1月21日，一名皇家藝術學院的研究生朱利安·梅爾基奧里，利用蠶絲纖維的穩定性，將植物中提取的葉綠體，嵌入蠶絲蛋白中，制造了一種新型的“人造樹葉”，它可以吸收水和二氧化碳來產生氧氣，實現自主呼吸。這種樹葉被稱為“Silk Leaf”。研究表明，相對于普通樹葉，它的“工作”效率提高了49%，需要的卻僅僅是一點陽光和水。

近些年來，隨著環境問題的的逐漸加劇，各國紛紛投入到“人造樹葉”的創新研究中。

2023年3月，歐盟“A-LEAF”項目團隊在《能源與環境科學》雜志上撰文指出，他們研制出了一款“人造樹葉”系統，能模仿自然界的光合作用，將二氧化碳和水轉化為可持續燃料，創下10%的太陽能—燃料轉化效率新紀錄。這是首款太陽能—燃料轉化率比天然樹葉高一個數量級的“人造樹葉”，為實現能源轉型提供了可持續解決方案。

在創新“人造樹葉”研發的賽道上，中國也不甘人后。

2020年，為攻克人工光合作用領域“卡脖子”技術，中國科學院院士、瑞典皇家工程院院士孫立成選擇全職回國任教。目前就職于西湖大學人工光合作用與太陽能燃料中心，擔任主任一職。

回國3年來，孫立成院士的科研團隊不斷壯大。近期，他通過線上演講，向青少年科普“未來能源”，吸引500多萬網友觀看。他介紹，目前團隊正通過構建“人造樹葉”來生產綠氫，已經取得了一定成果，希望為未來科技提供技術支撐。

現如今，英國劍橋大學的研究團隊利用“人造樹葉”制成清潔液體燃料，是這一領域的一座新的里程碑。但是，展望未來，要想讓“人造樹葉”真正成為主流能源，還需要面臨一些挑戰。

首先是成本問題。目前“人造樹葉”的生產成本還相對較高，需要更多的投入才能實現商業化應用。

其次是技術難題。雖然“人造樹葉”技術已經取得了一定的進展，但要實現工業化應用，還需要克服一些技術難題，例如穩定性、耐久性等。

由此可見，“人造樹葉”這條清潔能源的創新之路，仍舊任重而道遠。

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來源：賢集網
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