美合成“人造森林”纳米系统

　　就在媒体大肆喧嚣大气中二氧化碳含量已达到300万年来最高值的当下，美国能源部(DOE)劳伦斯伯克利国家实验室的科学家们在最新一期《纳米快报》上报告说，他们在开发碳中和可再生能源技术——首个全集成人工光合作用纳米系统上取得了重要进展。

　　主持该项研究的伯克利实验室材料科学部化学家杨培栋(音译)表示，如果说“人工树叶”是此类系统的流行语，那此次成功的关键就是“人造森林”。与绿色植物中进行光合作用的叶绿体相似，其人工光合系统由两个半导体光吸收器、一个负责运输的界面层及空间分离的助催化剂组成。在该系统中，为了促进太阳能水分解，研究人员合成了由硅“树干”和钛氧化物“枝杈”组成的纳米线异质结构。在视觉上，这些纳米结构阵列与人造森林极其相似。

　　太阳能技术是碳中和可再生能源的理想解决方案，全球一小时的阳光所蕴含的能量足以满足人类一年所需。可将太阳能直接转换成化学燃料的人工光合作用系统，被认为是最有前途的太阳能电池技术。人工光合作用面临的主要挑战是生产足够廉价的氢以同化石燃料进行抗衡。迎接这一挑战，需要一个集成系统来有效吸收太阳光，并产生电荷来驱动相互分离的水的还原和氧化半反应。

　　杨培栋称，在自然光合作用中，吸收的日光能源产生带电载流子，其可在叶绿体的不同区域执行化学反应。新研究将纳米线异质结构集成进一个功能系统，以模拟叶绿体中的集成现象，这为未来提高太阳能—燃料的转换效率提供了概念性蓝图。

　　当太阳光被叶绿体中的色素分子吸收时，产生的带电电子经由传输链在分子间移动，直到最终驱动二氧化碳转换成糖类。这种电子传递链被称为“Z计划”，因为其一侧的运动模式类似于字母“Z”。杨培栋小组也在其系统中采用了“Z计划”，他们仅使用两种地球上较为丰裕和稳定的半导体材料——硅和钛氧化物，同时加载助催化剂，并在它们之间插入欧姆触层。硅用于产氢的光电阴极，钛氧化物用于产氧的光电阳极。树状结构用于最大限度地提高系统性能。像现实森林中的树木一样，人工纳米树的茂密阵列可抑制日光反射，并为产生燃料的反应提供更多的表面。

　　在吸收了不同区域的太阳光谱后，硅和钛氧化物中就会产生光激电子——空穴对。硅纳米线中的光激电子迁移到表面，并将质子还原成氢，而在钛氧化物纳米线中的光激空穴将水氧化释出氧分子。来自两个半导体的大多数载流子在欧姆触层进行重组，完成类似于自然光合作用的“Z计划”接力。

　　在模拟日光下，这种基于纳米线的集成人工光合作用系统实现了0.12%的太阳能—燃料转换效率。与某些自然光合转换效率相比，此效率要用于商业用途还有待大幅提高。但是，该系统的模块化设计允许将新发现的单个组件很容易地纳入进来，以提高其性能。

　　研究人员注意到，该系统的硅阴极和钛氧化物阳极产生的光电流输出并不匹配，阳极输出的光电流较低，限制了系统的整体性能。目前，研究人员正在开发比钛氧化物表现更好的光电阳极，并有望在不久的将来使能源转换效率提高到个位数百分比的水平。