自
1912
年科学家首次提出通过光化学固定太阳能的构想，人类用百年时间实现了包括半导体光解水到“人工叶片”的进展。
2012
年，
MIT
和哈佛大学的
Daniel Nocera
教授开发了第一个“人工叶片”，利用硅太阳能电池驱动完整的水分解。近几年，剑桥大学的
Erwin Reisner
教授报道了可漂浮“人工叶片”及基于“人工叶片”体系实现太阳能驱动的多碳燃料生产。基于
光电化学
(PEC)
装置的太阳能燃料生产体系仍面临若干挑战。传统刚性
PEC
装置在复杂多变环境中难以保持稳定性能，实现柔性和可编程性反过来对装置重量、材料设计和制造策略提出了挑战。例如，柔性轻质基底在与煅烧和化学气相沉积等关键材料合成和处理工艺兼容性方面受到限制。
在大自然中，一些光合水生植物如珍珠草
(Micranthemum glomeratum)
展示了独特的环境适应能力，表现出向光性和高效的光合作用能力。它们能够感知光的方向并调整其光合器官以最大化光子吸收，广泛分布在自然界成为水生生态系统的重要组成部分。
受自然启发，近日东华大学
黄中杰教授
团队
与合作者报道了一种智能
PEC
系统，该系统能够通过自我约束的定向弯曲适应变化的光照条件，实现最大能量收集并完成稳定高效太阳能燃料生产。这样的成功归功于多种功能部件的创新集成设计，
仿生水生植物中的多个关键部件（如细胞质、叶绿体和叶柄）
，及
PEC
电极制造和组装策略的创新。在
45
度和
90
度入射光下，此
PEC
体系的燃料生产效率分别提高了
47%
和
866%
。本研究提出了一种策略充分发挥太阳能燃料生产的潜力，助力智能和适应性能源转换生态的实现。
相关研究以
"
Nature Inspired Phototropic Artificial Photosynthesis
"
为题在
Advanced Functional Materials
期刊发表，并被国际著名纳米科技网站《
Nanowerk
》以“
Artificial leaf bends to
maximize
solar fuel production
”高亮介绍。
此工作报道的系统集成仿生了自然界水生植物的几个关键功能。首先，为了实现能自我调节的向光性，将响应性水凝胶复合材料作为追光叶柄并首次用来支撑和引导
PEC
电极。其次，叶绿体的功能部分通过基于半导体的高效光阳极和光阴极实现。第三，为模拟细胞质，人工水草表面涂覆的高度透明和超疏气的水凝胶，保持了极佳的水和气体交换性能，同时提供了出色的光透过和物理保护，从而在太阳能燃料生产中提供了稳定性和耐久性。最后，这些部件被有机结合在一个轻质柔性、价格低廉的系统装置中。
图
1.
基于
PEC
的向光性柔性轻质人工水草的创新设计与集成结构示意图。
(a)
自然和仿生系统的结构。在自然植物中，细胞质保护叶绿体，叶柄为叶片提供结构支撑并促进其弯曲。在仿生设计中，水凝胶保护层模拟细胞质，保护光电极。光阳极和光阴极实现人工光合作用。此外，设计了光响应水凝胶叶柄以模拟向光性，为仿生叶片提供方向性弯曲和支撑。
(b)
自然和仿生系统的向光行为。
(c)
无偏压人工光合作用用于完全水分解的示意图。
图
2.
用于仿生叶片的轻质
PEC
电极（光阳极和光阴极）的构建。
图
3.
三电极体系下轻质仿生叶片的
PEC
性能。
(a)
光阳极，
(b)
光阴极，
(c)
光阳极稳定性，
(d)
光阴极稳定性，
(e)
法拉第效率。
图
4.
光响应仿生叶柄。
(a)
仿生叶柄在水中
0
°、
45
°和
90
°光照角度下的响应照片，
(b)
光响应行为的定量分析，
(c)
基于有限元分析的向光过程模拟，
(d)
内部负反馈回路下的自我约束响应机制示意图。
图
5.
人工水草的集成结构创新设计，及在不同入射光角度（
0
°、
45
° 和
90
°）下的水分解测试。
(a)
装置光响应功能的示意图，包含与对照样品的对比。
(b)
装置与对照样品的氢气（粉色）和氧气（蓝色）产生速率比较。
在
45
° 和
90
°
入射光下，此
PEC
体系的燃料生产效率分别提高了
47%
和
866%
。
本研究展示了基于轻质化
PEC
叶片、保护性水凝胶层以及光响应性水凝胶叶柄的功能集成、结构创新、及在动态环境中人工光合作用效率的大幅提升。成果进展及其局限性为未来研究提供了启示。首先，研究人员详细比较了使用相似阳极和阴极材料的
PEC
装置性能，包括太阳能到氢气（
STH
）的转换效率，发现它不仅保留了由响应性叶柄直接支持的轻质结构，还在
PEC
性能上与使用刚性
FTO
基底的对照组相当，这表明此创新设计在不损失效率的情况下实现了功能集成与提升。其次，保护性水凝胶层在延长
PEC
电极寿命方面非常有效。第三，系统的灵活性的实现主要归因于响应性水凝胶叶柄及其支撑和引导的轻质叶片。第四，尽管水凝胶叶柄在多次循环中表现有效，但研究人员发现多次循环后响应时间会缓慢增加。最后，在实际应用中，环境因素如风和湍流可能对仿生水生植物系统的性能构成复杂挑战。
本工作通讯作者为黄中杰教授（东华大学材料科学与工程学院、先进纤维材料全国重点实验室）、曹文翰教授（上海科技大学信息科学与技术学院）、庞欢教授（扬州大学化学化工学院）。第一作者为东华大学材料科学与工程学院
23
级博士研究生张家齐。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202422228
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