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一、【導讀】

人造樹葉（artificial leaves）通過模擬自然光合作用生產燃料，但結合光吸收劑和電催化劑的高性能光電化學（photoelectrochemical, PEC）原型的復雜性限制了它們的可擴展性，而易碎和笨重的散裝材料影響其運輸和部署，導致太陽能燃料與其他光捕獲技術之間存在差距。因此，器件制備也必須通過采用最先進的沉積技術進行范式轉變。這些程序必須面向便攜式、輕量級系統，這些系統能夠減少資源消耗、方便運輸和PEC器件在苛刻環境下運行。由于引入了顛覆性的微納米制造技術，電路的小型化徹底改變了從計算到醫療保健的廣泛領域。可持續電子產品中也出現了類似的趨勢，如正在發展的可穿戴傳感器、人造皮膚和身體熱采集器的原型設備。卷對卷（roll-to-roll）有機光伏、染料敏化和鈣鈦礦太陽能電池證明了這種可擴展的納米制造技術在光收集應用中的適用性。

二、【成果掠影】

近日，英國劍橋大學Erwin Reisner等人報道了一種通過利用薄且柔性的基底和碳質保護層制備的輕質人造葉子。采用鉑（Pt）催化劑將鹵化鉛鈣鈦礦光電陰極沉積在銦錫氧化物包覆的聚對苯二甲酸乙二醇酯上，其CO₂還原活性為4266 μmol H₂ g^-1 ?h^-1，而采用鈷（Co）分子催化劑的光電陰極在低（0.1?sun）照射下，實現了Co: H₂選擇性高達7.2。此外，所制備的輕質鈣鈦礦-BiVO₄ PEC器件的無輔助太陽能轉化為燃料效率分別為0.58%（H₂）和0.053%（CO）。100?cm²的獨立人工葉子證明了它們的可擴展性潛力，其性能和穩定性（約24?h）與1.7?cm²的同類產品相媲美。在運行過程中形成的氣泡進一步使30-100?mg?cm^-2的器件能夠漂浮，而輕型反應器則有助于在河流的戶外測試中收集氣體。這種葉狀PEC器件彌合了傳統太陽能轉化為燃料方法之間的重量鴻溝，其每克的活性可與光催化懸浮液和植物葉子的活性相媲美。該研究所提出的輕型浮動系統可以實現開放水域應用，從而避免與土地使用的競爭。研究成果以題為“Floating perovskite-BiVO₄ devices for scalable solar fuel production”發布在國際著名期刊Nature上。

三、【核心創新點】

所制備的人造葉子通過負載不同的催化劑，可以進行不同的催化反應，同時其具有不錯的可擴展性和穩定性。此外，其還可以懸浮在水中進行光合作用。

四、【數據概覽】
圖1 薄鈣鈦礦-BiVO₄人造葉及其組件 ?2022 Springer Nature

（a）薄的獨立器件在操作中漂浮，并由鋒利的鑷子固定；

（b）柔性的100?cm²器件；

（c）用于表征大型浮葉的裝置；

（d）在光照射時，輕質PEC器件隨著氣泡出現實現浮選的工作原理示意圖；

（e）Ti|BiVO₄光陽極的描述和相應的EDX元素映射；

（f）有線鈣鈦礦光電陰極的結構和相應層的偽真SEM圖像；

（g）CoMTPP分子催化劑附著在CNT上的描述及其SEM橫截面。

圖2 GE電極、薄鈣鈦礦和BiVO₄光電極的（光）電化學 ?2022 Springer Nature

（a）無催化劑、5nm濺射Pt和固定在CNT片上的CoMTPP分子CO₂還原催化劑的GE電極的CV；

（b）CPE在4 h后獲得的氣態產物量和CO: H₂選擇性；

（c）在連續和短切光照射下，具有Pt和CoMTPP催化劑的鈣鈦礦光電陰極的CV；

（d）光強對鈣鈦礦光電陰極在0?V下運行4? h的CPE性能的影響；

（e）fPVK|GE|CoMTPP@CNT光電陰極在0 ?V下合成氣生產的穩定性測試；

（f）有無TiCo水氧化催化劑的Ti|BiVO₄光陽極的CV。

圖3 用于太陽能燃料生產的可擴展輕型光電極和PEC器件的性能?2022 Springer Nature

（a）組裝在1.7?cm²有線PEC器件中的小尺寸單個鈣鈦礦和BiVO₄光電極的CV；

（b）相應的大尺度光電極的絕對光電流，這些光電極被集成到100?cm²的人造葉片中；

（c）1.7?cm²有線鈣鈦礦-BiVO4器件與CoMTPP@CNT催化劑在24 ?h外加零偏置電壓下獲得的計時電流曲線和產物量；

（d）對應的100?cm2獨立器件獲得的產物數量；

（e）在真實和實驗室條件下進行的水分解測試，在具有100 cm²葉片的充氣密封反應器中收集氣體產物；

（f）在多云的日子（約0.2 sun和15 °C），在康河上進行戶外測試；

（g）不同光（電）催化系統的性能。

五、【成果啟示】

這項研究實現了用于獨立水分解和合成氣生產的輕型、葉狀PEC器件。重量小于100?mg?cm^-2的獨立浮葉與可擴展的制造技術兼容，在實驗室和室外測試中放大到100?cm²時保持相似的產品速率。作者重新設計的鈣鈦礦光陰極將每克光催化劑的高活性與PEC系統的緊湊設計相結合，在低光照射下對CO₂還原具有高選擇性。這些概念驗證器件有助于展望未來，在未來自主燃料生產單元可以利用開闊水域的巨大潛力，駕馭池塘或海洋的波浪。

文獻鏈接：Floating perovskite-BiVO₄ devices for scalable solar fuel production. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04978-6.

本文由CQR編譯。

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