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  太陽能是取之不盡用之不竭的清潔能源。自然界的植物，例如樹葉，海草，是典型的柔性二維光催化材料。在光照下，它們可以充分吸收太陽能并轉化為可供植物生長活動所必需的化學能。這一過程是可持續的，重復發生而不受環境局限。植物的光合作用可以在一天任何光照時間內進行，并且提供相對穩定的能量轉化。為了發展未來的清潔能源，科學家一直試圖模擬樹葉的太陽能轉化為化學能的機制，因此人工光催化劑備受關注。目前研究工作主要集中在優化粉末類或薄膜類兩大類型光催化劑上。前者存在催化劑收集困難、再生可重復使用等問題；而后者依附在硬基底上，不具有天然樹葉的柔性不能全方位吸收太陽光進行高效催化反應。

  澳大利亞莫納什大學（Monash University）程文龍教授課題組最近設計了一種新型二維柔性光催化劑，成功模擬海草的柔性全方位光能到化學能的轉換過程。他們首先合成了單分散的等離子激元六邊形薄片納米晶體，然后連續沉積金屬鈀和硫化鎘，從而獲得Au-Pd-CdS多功能納米六邊形薄片。進一步通過自組裝技術，莫納什大學的研究小組可以得到二維超薄膜并成功轉移到柔性水凝膠基底上，從而得到人工柔性光催化“樹葉”。

圖1為二維柔性光催化劑的合成制備過程。來源：Mater. Horiz.

  利用甲基藍降解為模型光催化反應，作者發現，納米六邊形薄膜展現出最高的光降解速率， 分別是分散在溶液中納米顆粒的13.7倍以及雜亂排列薄膜的2.4倍。這是由于單層并且緊密排列的納米六邊形會與周圍的納米六邊形產生強的等離子激元耦合作用，提高了光能的吸收利用。同時，納米六邊形的表面充分接觸太陽光。這兩個因素有利于提高光催化效率。

圖2 a) 為規則排列的二維納米薄膜示意圖和SEM圖；b）為雜亂排列的二維納米薄膜示意圖和SEM圖；c-d) 分別是對應薄膜的光電流。來源：Mater. Horiz.

  除此之外，該催化劑結合水凝膠的光降解速率是其結合硬基底（如硅片，ITO玻璃）的2倍左右，這是因為水凝膠的多孔結構提供了更多的催化劑表面供甲基藍分子吸附并降解。同時由于水凝膠類似于天然水草的柔性特征，Au-Pd-CdS二維薄膜被設計成類海草結構。這樣設計的人造柔性催化劑實現了全方位多角度的有效光吸收，從而實現高效降解甲基藍并不受光照方向的影響。同時，該柔性人工海草在低光照強度下（~14mW/cm）依舊保持催化活性。

圖3 a) 為甲基藍溶液降解前后的UV-Vis吸收光譜；b) 為柔性人工海草的光降解速率隨光強度變化曲線，左邊為自然界海草的光合作用示意圖；c) 為柔性人工海草的光降解產率隨光入射方向變化曲線，左邊為柔性人工海草以及參比實驗光照示意圖。來源：Mater. Horiz.

  該工作通過高質量多功能納米六角薄片自組裝制備二維超結構并結合水凝膠獲得柔性光催化劑，實現了高效且全方位全角度光能到化學能轉換，其研究成果為今后的智能柔性人造樹葉水草提供新的設計思路。相關工作發表在Materials Horizons上，文章的第一作者是澳大利亞莫納什大學化工學院博士生雍自俊，通訊作者為程文龍教授。

  原文鏈接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2021/mh/d1mh00753j#!divAbstract