“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(wǎng) 更新時間：2024-03-12 16:25:28
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近日，中國科學(xué)院金屬研究所沈陽材料科學(xué)國家研究中心劉崗研究員團隊與國內(nèi)外多個研究團隊合作，研制出將半導(dǎo)體顆粒嵌入液態(tài)金屬實現(xiàn)規(guī)模化成膜的新技術(shù)，并構(gòu)建出形神兼?zhèn)涞男滦?ldquo;人工樹葉”，其具有類似樹葉的功能，可實現(xiàn)太陽能到化學(xué)能的轉(zhuǎn)化。 太陽能光催化分解水制備綠氫技術(shù)屬于前沿和顛覆性低碳技術(shù)，其走向應(yīng)用的關(guān)鍵是構(gòu)建高效、穩(wěn)定且低成本的太陽能驅(qū)動半導(dǎo)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(shù)因制備環(huán)境苛刻或成膜質(zhì)量差，難以滿足太陽能光催化分解水制氫的實際應(yīng)用需求。 植物葉子中起光合作用的光系統(tǒng)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(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。受此啟發(fā)，研究人員利用熔融的低溫液態(tài)金屬作為導(dǎo)電集流體和粘結(jié)劑在選定基體上規(guī)?；赡ぃY(jié)合輥壓技術(shù)進行半導(dǎo)體顆粒的嵌入集成，實現(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了三維立體的強接觸界面，其結(jié)構(gòu)猶如“鵝卵石路面”，使其兼具優(yōu)異的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和十分突出的光生電荷收集能力。同時嵌入產(chǎn)氧和產(chǎn)氫光催化材料，可實現(xiàn)“人工樹葉”的規(guī)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(tǒng)薄膜的2.9倍，超過上百小時持續(xù)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?qū)㈥柟?、水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為可持續(xù)的燃料。 地球上的可再生能源有很多。現(xiàn)如今，我們已經(jīng)擁有風(fēng)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(fēng)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(fù)雜而昂貴的設(shè)備。而且這些設(shè)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(huán)境下進行人工調(diào)節(jié)，甚至可以直接使用在現(xiàn)有的內(nèi)燃機設(shè)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(chǎn)效率，可以大規(guī)模生產(chǎn)，使得綠色能源逐漸成為現(xiàn)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(zhì)。 “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(yīng)，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(zhuǎn)化為電子。 當(dāng)然，“人造樹葉”還有其他一些層來實現(xiàn)保護、隔離、傳導(dǎo)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(tǒng)的化石能源不僅污染環(huán)境，而且數(shù)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(xué)家對“人造樹葉”的研究已經(jīng)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(dāng)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(wěn)定，生命周期最多只有一天。 2016年1月21日，一名皇家藝術(shù)學(xué)院的研究生朱利安·梅爾基奧里，利用蠶絲纖維的穩(wěn)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(chǎn)生氧氣，實現(xiàn)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(huán)境問題的的逐漸加劇，各國紛紛投入到“人造樹葉”的創(chuàng)新研究中。 2023年3月，歐盟“A-LEAF”項目團隊在《能源與環(huán)境科學(xué)》雜志上撰文指出，他們研制出了一款“人造樹葉”系統(tǒng)，能模仿自然界的光合作用，將二氧化碳和水轉(zhuǎn)化為可持續(xù)燃料，創(chuàng)下10%的太陽能—燃料轉(zhuǎn)化效率新紀(jì)錄。這是首款太陽能—燃料轉(zhuǎn)化率比天然樹葉高一個數(shù)量級的“人造樹葉”，為實現(xiàn)能源轉(zhuǎn)型提供了可持續(xù)解決方案。 在創(chuàng)新“人造樹葉”研發(fā)的賽道上，中國也不甘人后。 2020年，為攻克人工光合作用領(lǐng)域“卡脖子”技術(shù)，中國科學(xué)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(xué)人工光合作用與太陽能燃料中心，擔(dān)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(wǎng)友觀看。他介紹，目前團隊正通過構(gòu)建“人造樹葉”來生產(chǎn)綠氫，已經(jīng)取得了一定成果，希望為未來科技提供技術(shù)支撐。 現(xiàn)如今，英國劍橋大學(xué)的研究團隊利用“人造樹葉”制成清潔液體燃料，是這一領(lǐng)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(zhàn)。 首先是成本問題。目前“人造樹葉”的生產(chǎn)成本還相對較高，需要更多的投入才能實現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。 其次是技術(shù)難題。雖然“人造樹葉”技術(shù)已經(jīng)取得了一定的進展，但要實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，還需要克服一些技術(shù)難題，例如穩(wěn)定性、耐久性等。 由此可見，“人造樹葉”這條清潔能源的創(chuàng)新之路，仍舊任重而道遠。 原文鏈接：https://www.xianjichina.com/special/detail_542365.html 來源：賢集網(wǎng) 著作權(quán)歸作者所有。商業(yè)轉(zhuǎn)載請聯(lián)系作者獲得授權(quán)，非商業(yè)轉(zhuǎn)載請注明出處。 |
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