《Energy Environ. Sci.》仿生向日葵：一种仿生自主光追踪光催化系统

The Bionic Sunflower: A Bio-inspired Autonomous Light Tracking Photocatalytic System

Jingjing Qin, Kaibin Chu, Yunpeng Huang, Xiangmiao Zhu, Johan Hofkens, Guanjie He, Ivan P. Parkin, Feili Lai,* Tianxi Liu*

Energy Environ. Sci., 2021, DOI: 10.1039/D1EE00587A

向光性是许多生物（如向日葵）最大限度地获取能量用于自我生长和繁殖的生物特性，被认为是一种恢复倾斜入射能量密度损失的有效策略。倾斜入射能量密度损失是指光以一定的角度照射到平面时，因倾斜入射而导致的入射能量密度减少的现象，可以用公式E = E_max · cosθ来简单表示 （其中，E是平面实际接收的入射能量密度，E_max代表光垂直照射时平面接收的能量密度，θ为天顶角）。对于确定强度的光来说，角度越大，代表能量损失越多。因此，实现人工向光性意义重大，而光响应智能水凝胶的出现为实现人工向光性提供了可能。利用水凝胶的溶胀/收缩特性模拟植物的不对称生长有望实现水凝胶的趋光行为。近年来，基于太阳光作为能量来源的光催化技术，因其在物质转化和污染物降解等领域的特殊作用受到了人们的广泛关注。传统的光催化实验通常借助固定的光源，故缺乏对移动光源（如太阳光）进行自主捕获的能力。因此，如何减少光催化过程中这种能量损失并充分利用光能已逐渐成为光催化领域的研究热点。

鉴于此，江南大学纳米复合与能源材料研究中心刘天西教授课题组报道了一种通用性策略——仿生自主光追踪光催化系统，将一种仿生向日葵用作光催化反应器，在倾斜照射下，它能自主追踪光，从而恢复倾斜入射能量密度损失。以硫化镉/还原氧化石墨烯（CdS/rGO）光催化生成过氧化氢（H₂O₂）为例，研究发现，随着入射角从0°增加到90°，对照样品的H₂O₂生成率从292.6 μmol g^-1 h^-1减少到83.5 μmol g^-1 h^-1，而仿生向日葵的H₂O₂生成率始终稳定维持在较高水平（262.1 μmol g^-1 h^-1）。同时，通过比较理论和实际的能量收集效率（ECE）表明：在-90°-90°天顶角下，仿生向日葵的归一化ECE始终接近90%，而对照样品仅为29%，即仿生向日葵可以恢复至少60%的能量损失。这种仿生向日葵茎部是还原氧化石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺基智能水凝胶（RPH）。基于rGO出色的光热转换性能和PNIPAAm基智能水凝胶的温敏特性，并利用材料的自阴影效应，成功在RPH中构建了一个自反馈回路，可以使得RPH水凝胶发生不均匀收缩而产生弯曲以使尖端瞄准光的行为。仿生向日葵的花盘是硫化镉/还原氧化石墨烯/N-异丙基丙烯酰胺基水凝胶（CPH）：当光从侧面照射时，其茎部会自动向光弯曲并带动花盘指向光源进行光催化产生H₂O₂反应。此外，利用COMSOL理论计算揭示了仿生向日葵的弯曲机理；并通过密度泛函理论（DFT）计算阐述了光催化生成H₂O₂过程中的反应路径和活性位点。相较于传统的光催化而言，该工作是将光响应智能水凝胶引入光催化领域的一次新的尝试。本研究所提出的策略也可推广到其他光催化体系，为充分利用移动的太阳光进行光催化提供了一种新的模式。

仿生向日葵的设计原理以及H₂O₂产率图