在康河的柔波里，仿生叶悄悄地冒泡

人造叶可以漂浮在水面上，它从空气中吸收阳光和二氧化碳，并利用水来生产燃料。

剑桥大学（University of Cambridge）研究人员在河边测试了100平方厘米的人造叶装置。根据所使用的催化剂，该装置或将水分解为氢气，或将二氧化碳转化为合成气（syngas，一氧化碳和氢气的混合物，可用于制造甲醇等其他燃料）。这些装置可以放置在咸水池塘、运河和海洋的行驶的船只上。近期，这项工作发表在《自然》（Nature）杂志上。

论文截图 | 参考文献[1]

主持这项工作的化学研究员Virgil Andrei介绍道：“我们试图用一种简单的仿生设备来利用水资源，让它不仅可以像天然叶片一样工作，还具有叶片灵活、轻便的特性。”

多年来，科学家们一直在尝试模仿植物的光合作用。最终目标是制作人造叶：使用光伏材料收集阳光，在催化剂的帮助下将二氧化碳转化为燃料。2011年，哈佛大学的研究人员报告了第一个人造叶装置。随后，许多团队一直在研究类似的技术，以期通过还原二氧化碳来制造燃料、肥料和其他化学品。可二氧化碳还原反应比分解水复杂得多。

2019年，Andrei教授、Erwin Reisner教授和他们的同事发表了第一个可以产生合成气的人造叶装置。他们使用钙钛矿光吸收剂（perovskite light absorbers）与铂（Pt）或钴（Co）催化剂进行反应。铂催化剂在阳光下将水分解成氧气和氢气，而钴则催化二氧化碳和水生成合成气。但他们的设备，及多数已报导的其他设备，仅是在实验室环境中测试的小型原型机。

第一个可以产生合成气的人造叶装置于2019年发表 | 参考文献[3]

为了推广应用该技术，剑桥团队升级了装置。“如果想将这项技术商业化，我们需要重新设计设备结构。”Andrei表示，“其中一个方案是缩小设备。”

因此，该团队将之前使用的厚玻璃基板替换为薄导电塑料基板。在基板上覆盖着钙钛矿、金属氧化物与导电聚合物（conductive metal-oxide and polymer），以及钴或铂催化剂的涂层，每层仅几微米厚。在装置的最外层涂有环氧树脂（epoxy glue）和石墨粉（graphite powder）的混合物，防止设备受潮。

在阳光下，这个轻巧的装置漂浮在水面就能迅速产生合成气，生成的气泡也有助于使装置保持漂浮状态。人造叶在测试期间工作良好。每克设备产氢气和一氧化碳的效率分别约为0.6%和0.05%。Andrei表示，自然光合作用的典型效率也只有0.5%到1%，设备的生产效率虽然看着很低，但已经能够与之媲美。

他表示，这些轻便的装置可以放置在任何水面上，也就意味着与其他需要占用土地、空间放置光伏电池和电化学电池的太阳能燃料技术相比，这种设备更加经济。他们还在努力使该设备更轻，并找出部署它的最佳方式。

人造叶漂浮在康河上 | 参考文献[1]

薄钙钛矿-BiVO₄人造叶及其组件 | 参考文献[1]

[1] A Andrei, V., Ucoski, G. M., Pornrungroj, C., Uswachoke, C., Wang, Q., Achilleos, D. S., ... & Reisner, E. (2022). Floating perovskite-BiVO4 devices for scalable solar fuel production. Nature, 608(7923), 518-522. https://doi.org/10.1038/s41586-022-04978-6

[2] https://spectrum.ieee.org/artificial-leaf-hydrogen-syngas

[3] Ahmad, S., Sadhanala, A., Hoye, R. L., Andrei, V., Modarres, M. H., Zhao, B., ... & De Volder, M. (2019). Triple-cation-based perovskite photocathodes with AZO protective layer for hydrogen production applications. ACS applied materials & interfaces, 11(26), 23198-23206. https://doi.org/10.1021/acsami.9b04963

编译：鳕鱼

编辑：靳小明

排版：尹宁流

题图来源：参考文献[1]

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