基于生物精细构型的光催化材料和光热转换材料的研究进展

孙诚¹，顾佳俊¹，章潇慧²，祝弘滨²，刘佰博²，张丽娇²，刘庆雷¹，张旺¹，张荻¹

1. 上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室2. 中车工业研究院有限公司

摘 要：目前,全球性的能源危机和环境污染问题备受关注。太阳能作为一种可再生的能源,实现其清洁、高效和低成本的转换及利用具有十分重要的意义。其中,利用光催化可将太阳能转换为可存储和运输的氢能,而通过光热效应可借助太阳能对海水进行淡化,这将有助于缓解能源短缺、环境污染以及淡水资源紧缺等问题。如何提高光能转换材料的能量转换效率是当今太阳能转换领域的关键课题。材料的性质由多种因素决定,其中构型是最重要的因素之一。因此,优良的材料构型设计成为材料、化学、生物等多学科、多领域的研究热点,以满足光电催化、光热治疗、能量转换与存储等不同领域的应用需求。然而,目前人工制备手段以"自下而上"的化学自组装与"自上而下"的物理加工方法为主,不仅成本和效率难以兼顾,更难以精准构筑具有复杂精细三维分级构型的微纳结构。对此,有学者提出"遗态材料"的概念,借鉴自然界生物体(包括微生物、动物以及植物)的精细构型,并以自然界生物体结构作为模板,制备出具有特殊结构和功能的材料。这为当今许多领域的科学研究提供了丰富的灵感和启发。近年来,基于生物精细构型的光能转换遗态材料发展迅速,在光电催化及光热领域取得了丰硕的成果。受自然界中的光合作用启发,可通过光催化反应将太阳能转换为化学能。具有三维分级结构的材料的各向异性强、反应接触面积大、微纳米孔多,能够有效增强半导体催化剂的电学、光学特性和催化性能。以树叶、蝴蝶等生物为模板的微纳多孔结构材料提高了催化剂对入射光的吸收,同时也为水分解反应提供了更多的反应位点,其产氢性能比普通构型的材料提高了数倍。同时,在光热水蒸发系统中,木材、蝶翅、莲蓬等模板由于快速的吸水能力、高效的光吸收和光增强能力以及良好的隔热性能,其与金属纳米颗粒的复合材料具有优异的光热蒸发速率与光热转换效率。本文从光催化水分解与光热水蒸发两个领域的应用方面,分别介绍了基于树叶、蝴蝶、硅藻等天然生物精细分级结构的高效太阳能转换材料的构筑及应用,对设计、制备具有分级微纳构型的光能转换材料提供一定的理论参考和借鉴意义。

关键词：太阳能转换;生物精细构型;光催化;光热转换;