剑桥大学，最新Nature！

一、【导读】

人造树叶（artificial leaves）通过模拟自然光合作用生产燃料，但结合光吸收剂和电催化剂的高性能光电化学（photoelectrochemical, PEC）原型的复杂性限制了它们的可扩展性，而易碎和笨重的散装材料影响其运输和部署，导致太阳能燃料与其他光捕获技术之间存在差距。因此，器件制备也必须通过采用最先进的沉积技术进行范式转变。这些程序必须面向便携式、轻量级系统，这些系统能够减少资源消耗、方便运输和PEC器件在苛刻环境下运行。由于引入了颠覆性的微纳米制造技术，电路的小型化彻底改变了从计算到医疗保健的广泛领域。可持续电子产品中也出现了类似的趋势，如正在发展的可穿戴传感器、人造皮肤和身体热采集器的原型设备。卷对卷（roll-to-roll）有机光伏、染料敏化和钙钛矿太阳能电池证明了这种可扩展的纳米制造技术在光收集应用中的适用性。

二、【成果掠影】

近日，英国剑桥大学Erwin Reisner等人报道了一种通过利用薄且柔性的基底和碳质保护层制备的轻质人造叶子。采用铂（Pt）催化剂将卤化铅钙钛矿光电阴极沉积在铟锡氧化物包覆的聚对苯二甲酸乙二醇酯上，其CO₂还原活性为4266 µmol H₂ g^-1  h^-1，而采用钴（Co）分子催化剂的光电阴极在低（0.1 sun）照射下，实现了Co: H₂选择性高达7.2。此外，所制备的轻质钙钛矿-BiVO₄ PEC器件的无辅助太阳能转化为燃料效率分别为0.58%（H₂）和0.053%（CO）。100 cm²的独立人工叶子证明了它们的可扩展性潜力，其性能和稳定性（约24 h）与1.7 cm²的同类产品相媲美。在运行过程中形成的气泡进一步使30-100 mg cm^-2的器件能够漂浮，而轻型反应器则有助于在河流的户外测试中收集气体。这种叶状PEC器件弥合了传统太阳能转化为燃料方法之间的重量鸿沟，其每克的活性可与光催化悬浮液和植物叶子的活性相媲美。该研究所提出的轻型浮动系统可以实现开放水域应用，从而避免与土地使用的竞争。研究成果以题为“Floating perovskite-BiVO₄ devices for scalable solar fuel production”发布在国际著名期刊Nature上。

三、【核心创新点】

所制备的人造叶子通过负载不同的催化剂，可以进行不同的催化反应，同时其具有不错的可扩展性和稳定性。此外，其还可以悬浮在水中进行光合作用。

四、【数据概览】
图1 薄钙钛矿-BiVO₄人造叶及其组件 ©2022 Springer Nature

（a）薄的独立器件在操作中漂浮，并由锋利的镊子固定；

（b）柔性的100 cm²器件；

（c）用于表征大型浮叶的装置；

（d）在光照射时，轻质PEC器件随着气泡出现实现浮选的工作原理示意图；

（e）Ti|BiVO₄光阳极的描述和相应的EDX元素映射；

（f）有线钙钛矿光电阴极的结构和相应层的伪真SEM图像；

（g）CoMTPP分子催化剂附着在CNT上的描述及其SEM横截面。

图2 GE电极、薄钙钛矿和BiVO₄光电极的（光）电化学 ©2022 Springer Nature

（a）无催化剂、5nm溅射Pt和固定在CNT片上的CoMTPP分子CO₂还原催化剂的GE电极的CV；

（b）CPE在4 h后获得的气态产物量和CO: H₂选择性；

（c）在连续和短切光照射下，具有Pt和CoMTPP催化剂的钙钛矿光电阴极的CV；

（d）光强对钙钛矿光电阴极在0 V下运行4  h的CPE性能的影响；

（e）fPVK|GE|CoMTPP@CNT光电阴极在0  V下合成气生产的稳定性测试；

（f）有无TiCo水氧化催化剂的Ti|BiVO₄光阳极的CV。

图3 用于太阳能燃料生产的可扩展轻型光电极和PEC器件的性能©2022 Springer Nature

（a）组装在1.7 cm²有线PEC器件中的小尺寸单个钙钛矿和BiVO₄光电极的CV；

（b）相应的大尺度光电极的绝对光电流，这些光电极被集成到100 cm²的人造叶片中；

（c）1.7 cm²有线钙钛矿-BiVO4器件与CoMTPP@CNT催化剂在24  h外加零偏置电压下获得的计时电流曲线和产物量；

（d）对应的100 cm2独立器件获得的产物数量；

（e）在真实和实验室条件下进行的水分解测试，在具有100 cm²叶片的充气密封反应器中收集气体产物；

（f）在多云的日子（约0.2 sun和15 °C），在康河上进行户外测试；

（g）不同光（电）催化系统的性能。

五、【成果启示】

这项研究实现了用于独立水分解和合成气生产的轻型、叶状PEC器件。重量小于100 mg cm^-2的独立浮叶与可扩展的制造技术兼容，在实验室和室外测试中放大到100 cm²时保持相似的产品速率。作者重新设计的钙钛矿光阴极将每克光催化剂的高活性与PEC系统的紧凑设计相结合，在低光照射下对CO₂还原具有高选择性。这些概念验证器件有助于展望未来，在未来自主燃料生产单元可以利用开阔水域的巨大潜力，驾驭池塘或海洋的波浪。

文献链接：Floating perovskite-BiVO₄ devices for scalable solar fuel production. Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-04978-6.

本文由CQR编译。

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