光解水和CO2資源化是人工光合作用兩大系統，據估計，人工光合作用可滿足全球40%交通工具所需要的高能量密度燃料的碳平衡生產。
一百年前，人工光合作用還只是存在于小說和電影中，虛無縹緲。現在，以半導體光電極為基礎的一系列真實存在的人工光合作用系統相繼被開發。科學家和工程師所面臨的問題就是：如何同時實現人工光合作用系統的安全性、耐用性、高效性以及可拓展性等4個重要指標。這些，將有待納米技術的幫助！
圖1. 光合作用示意圖
加州理工Nathan S. Lewis教授致力于光解水研究已有十余年，本文主要介紹Lewis利用半導體微納米線和柔性聚合物膜集成的光解水系統，重點討論器件架構中多層次納米材料的設計。
PS：本文系統概括了光解水的歷史發展和實現商業化光解水裝置的核心關鍵點，具體請閱讀原文。原文鏈接可在文末復制，原文PDF可在相關QQ群下載。
圖2. Nathan S. Lewis設計的光解水系統
該系統中，光電極為微米線陣列，隔膜由柔性聚合物。光電陽極材料吸收藍色光進行水氧化，光電陰極吸收紅色光，滿足水還原或者CO2還原。光電陰極和陽極材料歐姆接觸，并都修飾上相應的納米催化劑。兩個光電極之間的膜用于離子傳遞和產物分離。
1. 制備微米線陣列
理論計算表明，線的至直徑要和少數載流子收集長度相當。因此，利用Si微米線陣列作為光吸收材料比Si納米線要好。利用Cu VLS生長得到Si微米線陣列實現了50%的光吸收和7%的轉化效率！
圖3. Si微米線陣列的制備
2. 制備雙微米線陣列
首先在Si基底上制備2套微米線陣列，沉積Nafion之后從基底上剝離，然后在其中1套微米線陣列底部沉積導電的PEDOT：PSS，最后將兩套微米線陣列背對背聯結在一起。
圖4. 雙Si微米線陣列的制備
同時，研究人員還研究了一種自對準的核殼結構Si@WO3微米線陣列，其中WO3是少有的酸性穩定的金屬氧化物光電陽極，Si和WO3之間插入ITO作為透明導電隧穿結。這種Si@WO3微米線陣列和徑向的p-n結組合，避免了在膜中插入導電層。這種設計極大地促進了光吸收并能夠保證有效的載流子收集。盡管效率很低（0.01%），但是這種設計結構實現了連續穩定太陽光裂解水。
圖5. 自對準的核殼結構Si@WO3微米線陣列串聯水裂解裝置
另外，楊培東課題組在p-Si納米線內核上包裹納米樹結構TiO2作為光電陽極，Pt作為HER催化劑，IrO2作為OER催化劑。在Si和TiO2之間沒有膜和歐姆接觸的情況下，于0.5 M H2SO4中各自實現了0.1% 的H2和O2生產效率。
圖6. 納米樹光解水
光解水系統還有一個重要部分，就是催化劑。催化劑是生產燃料的關鍵，必須具有高活性和高穩定性，地球儲量豐富。開發Pt、Ir、Ru等貴金屬納米催化劑之外的earth-abundant元素催化劑，還有待進一步研究。
圖7. 四種太陽能燃料生產原理圖
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2. Chong Liu, Peidong Yang et al. A Fully Integrated Nanosystem of Semiconductor Nanowires for Direct Solar Water Splitting. Nano Lett., 2013, 13, 2989–2992.
