太阳能是取之不尽用之不竭的清洁能源。自然界的植物，例如树叶，海草，是典型的柔性二维光催化材料。在光照下，它们可以充分吸收太阳能并转化为可供植物生长活动所必需的化学能。这一过程是可持续的，重复发生而不受环境局限。植物的光合作用可以在一天任何光照时间内进行，并且提供相对稳定的能量转化。为了发展未来的清洁能源，科学家一直试图模拟树叶的太阳能转化为化学能的机制，因此人工光催化剂备受关注。目前研究工作主要集中在优化粉末类或薄膜类两大类型光催化剂上。前者存在催化剂收集困难、再生可重复使用等问题；而后者依附在硬基底上，不具有天然树叶的柔性不能全方位吸收太阳光进行高效催化反应。

  澳大利亚莫纳什大学（Monash University）程文龙教授课题组最近设计了一种新型二维柔性光催化剂，成功模拟海草的柔性全方位光能到化学能的转换过程。他们首先合成了单分散的等离子激元六边形薄片纳米晶体，然后连续沉积金属钯和硫化镉，从而获得Au-Pd-CdS多功能纳米六边形薄片。进一步通过自组装技术，莫纳什大学的研究小组可以得到二维超薄膜并成功转移到柔性水凝胶基底上，从而得到人工柔性光催化“树叶”。

图1为二维柔性光催化剂的合成制备过程。来源：Mater. Horiz.

  利用甲基蓝降解为模型光催化反应，作者发现，纳米六边形薄膜展现出最高的光降解速率， 分别是分散在溶液中纳米颗粒的13.7倍以及杂乱排列薄膜的2.4倍。这是由于单层并且紧密排列的纳米六边形会与周围的纳米六边形产生强的等离子激元耦合作用，提高了光能的吸收利用。同时，纳米六边形的表面充分接触太阳光。这两个因素有利于提高光催化效率。

图2 a) 为规则排列的二维纳米薄膜示意图和SEM图；b）为杂乱排列的二维纳米薄膜示意图和SEM图；c-d) 分别是对应薄膜的光电流。来源：Mater. Horiz.

  除此之外，该催化剂结合水凝胶的光降解速率是其结合硬基底（如硅片，ITO玻璃）的2倍左右，这是因为水凝胶的多孔结构提供了更多的催化剂表面供甲基蓝分子吸附并降解。同时由于水凝胶类似于天然水草的柔性特征，Au-Pd-CdS二维薄膜被设计成类海草结构。这样设计的人造柔性催化剂实现了全方位多角度的有效光吸收，从而实现高效降解甲基蓝并不受光照方向的影响。同时，该柔性人工海草在低光照强度下（~14mW/cm）依旧保持催化活性。

图3 a) 为甲基蓝溶液降解前后的UV-Vis吸收光谱；b) 为柔性人工海草的光降解速率随光强度变化曲线，左边为自然界海草的光合作用示意图；c) 为柔性人工海草的光降解产率随光入射方向变化曲线，左边为柔性人工海草以及参比实验光照示意图。来源：Mater. Horiz.

  该工作通过高质量多功能纳米六角薄片自组装制备二维超结构并结合水凝胶获得柔性光催化剂，实现了高效且全方位全角度光能到化学能转换，其研究成果为今后的智能柔性人造树叶水草提供新的设计思路。相关工作发表在Materials Horizons上，文章的第一作者是澳大利亚莫纳什大学化工学院博士生雍自俊，通讯作者为程文龙教授。

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