近年来，能源结构调整和环保需求促使清洁能源技术受到前所未有的关注。其中，太阳能制氢作为一种环保、高效的可再生能源转换方式，因其将太阳能直接转化为氢气燃料而备受瞩目。在众多太阳能转氢技术中，人工叶（Artificial Leaf）系统以高集成度和简洁结构成为研究热点，其核心在于模拟自然叶片的光合作用机制，实现光电转化与水分解反应的一体化。 传统的光伏-电化学（PV-EC）系统通常由独立的光伏组件和电化学电解装置组成，安装空间大且成本高昂。相较之下，人工叶通过集成光吸收和电催化功能于一体，无需复杂外接线路，极大降低了电阻和能量损失，提升了整体转换效率。尽管如此，要将人工叶技术推向实用化规模，依然面临着效率、耐久性及可扩展性三大挑战。
最新研究突破了这些瓶颈，开发了一种模块化的人工叶装置，实现了超过10%的太阳能转氢效率。这一成功源于多重技术创新与材料优化。首先，选用氯掺杂的甲脒铅三碘化物（Cl:FAPbI3）作为光吸收层，这是一种具备理想带隙参数和优异光电性能的钙钛矿半导体材料。通过氯掺杂，优化其晶体结构和界面缺陷，显著提升了载流子传输效率和光稳定性。 其次，在电子传输层采用氯掺杂的氧化锡（Cl:SnO2），这一材料相比传统的二氧化钛（TiO2）表现出更强的紫外稳定性和电子迁移速率，有效降低电子复合损失，同时提升器件整体的长期稳定性。此外，采用厚度适中且缺陷极低的薄膜制备工艺确保了光电器件的均匀性与重现性，为大面积制备提供了技术基础。
光电极的封装设计同样关键。研究团队采用镍箔结合银涂层聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）颗粒作为电接触和保护层，成功阻隔了电解液对钙钛矿层的侵蚀，避免了光电极的水解和降解。同时，采用含镍铁钴（金属氧化物）复合催化剂提升氧气生成反应（OER）的催化效率，配合低铂负载的硫化钼基催化剂用于氢气生成反应（HER），构成高效且经济的双电极体系。 该模块化人工叶由4×4个1平方厘米尺寸的光电单元阵列组成，总面积达到16平方厘米，实现了“无线”光电化学配置，即光阴极和光阴极并联，无需外部电线连接，继承了自然叶片光合作用的自身集成特性。该系统在不加偏压条件下，持续稳定运行140小时，保持了初始性能的99%，表现出优异的耐用性和稳定性。 更重要的是，通过模块化设计，该技术展示了良好的可扩展性。
在放大面积过程中，仅有不到10%的效率损失，表明该系统具备向更大规模商业化产品发展的潜力。与此同时，稳定的催化剂材料和精细的电极封装方法有效抑制了金属离子和铅的溶出，确保了系统的环保安全性。 太阳能转氢效率超过10%的模块化人工叶，在全球清洁能源转型中具有重要意义。首先，效率的大幅提升提升了氢气的产能和经济性，促进了氢能作为燃料和化工原料的广泛应用。其次，轻薄且集成度高的人工叶装置，可实现在有限空间内高效运行，降低了建设和维护成本，助力实现分布式能源生产。 展望未来，该技术仍有提升空间。
例如，进一步降低生产成本，研发无铅或低铅钙钛矿替代材料，提高催化剂的催化活性及耐腐蚀能力，优化光电极结构以改善载流子收集效率。与此同时，解决水分离产物的高效分离问题，实现安全稳定的氢氧气体分离与收集，也将是推进人工叶实用化的关键。 综上所述，模块化人工叶集成了光吸收层、电子传输层及电催化剂，通过新型材料的设计与精准封装，实现了太阳能转化为氢气的高效、耐久和可扩展性能。这一突破标志着人工光合作用技术迈入实用化的关键里程碑，助力打造绿色低碳的能源未来，为实现碳中和目标提供了可靠的技术支持。随着相关研究的持续深入和产业链的完善，该技术有望成为全球氢能经济发展的重要推动力，促进全球能源结构迈向清洁化与可持续化。
