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自然界的植物光合作用可實(shí)現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化，而植物葉子中起光合作用的光系統(tǒng)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(yùn)行的重要結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。

受此啟發(fā)，劉崗團(tuán)隊(duì)以熔融的低溫液態(tài)金屬為導(dǎo)電集流體和黏結(jié)劑在選定基體上規(guī)模化成膜，結(jié)合輥壓技術(shù)進(jìn)行半導(dǎo)體顆粒的嵌入集成，實(shí)現(xiàn)了半導(dǎo)體顆粒的規(guī)模化植入。半導(dǎo)體顆粒鑲嵌在液態(tài)金屬導(dǎo)電集流體薄膜中形成三維立體的強(qiáng)接觸界面，其結(jié)構(gòu)猶如鋪滿鵝卵石的路，不僅具有優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，還具有突出的光生電荷收集能力。

研究人員以釩酸鉍為例介紹，嵌入式釩酸鉍顆粒的光電極活性比傳統(tǒng)的非嵌入式釩酸鉍光電極高兩倍，前者連續(xù)工作120小時(shí)幾乎無活性衰減。光電極從1平方厘米放大至64平方厘米后，單位面積的光電流密度仍可保持約70%，遠(yuǎn)優(yōu)于目前報(bào)道的大面積釩酸鉍光電極的活性保持率。同時(shí)嵌入產(chǎn)氧和產(chǎn)氫光催化材料，可實(shí)現(xiàn)光催化分解水制氫薄膜面板的規(guī)模化制備，在可見光照射下，其活性是傳統(tǒng)非嵌入式金薄膜支撐光催化材料膜的近3倍，可持續(xù)工作上百小時(shí)無衰減。

此外，該技術(shù)還具有普適性好和原材料易回收等優(yōu)勢。利用商業(yè)化半導(dǎo)體顆粒可實(shí)現(xiàn)不同半導(dǎo)體光活性薄膜在不同基體上的規(guī)模化制備，所獲得的顆粒嵌入式薄膜的活性均顯著優(yōu)于對照的非嵌入式樣品。在柔性基體上集成的薄膜在大曲率彎折10萬次后，仍可保持95%以上的初始活性。利用簡單的熱水超聲處理，即可將半導(dǎo)體顆粒、低溫液態(tài)金屬以及基體進(jìn)行分離回收，實(shí)現(xiàn)再利用，且回收再集成獲得的人工光合成薄膜表現(xiàn)出與原始薄膜近乎相同的活性。

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41467-024-46073-6