Nature：光解水催化劑效率接近100%！馬斯克移民火星的能源和氧氣這下有了_風聞

邊策 魚羊 發自 凹非寺

量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

瘋狂的“硅谷鋼鐵俠”馬斯克説，要在火星上扔一萬個核彈，目的是為了讓火星兩極的二氧化碳釋放出來，把火星變得和地球一樣温暖。

多年來，馬斯克一直希望殖民火星，他的很多公司都和這個瘋狂的想法有關。

SpaceX發射火箭自然不必説，太陽能電池公司SolarCity未來也能為火星移民提供電力。

最近，日本的科研人員給馬斯克帶來了一個好消息，移民火星計劃可能不必為能源和氧氣問題發愁了。

來自東京大學、信州大學的研究者發現了一種新的催化劑，用光分解水的效率（EQE）高達96%，還登上了最新一期的Nature。

用太陽光分解水過去不是沒有人研究過，此前最常見的方法是用太陽能電板發電，再用電分解水。

但日本科學家這次的發現是效率最高的。比起用SolarCity太陽能電板發電再電解水，效率不知道高到哪裏去了。

國內某天才公司，甚至還想出用鋁來分解水，發明了所謂“水氫汽車”，但是鋁的造價比氫氣貴多了。

巧合的這次日本科學家也用到了鋁，但鋁是作為催化劑的一種成分，而非反應物，可以反覆使用。

96%效率意味着什麼

研究表明，如果太陽光催化分解水的效率達到10%，就能具備經濟上的競爭力。

但是，光催化半導體的轉換效率通常遠低於10％。這是因為光催化過程非常複雜，並且要求半導體顆粒具有多種特性的組合。

要實現高效率地光解水，催化劑需要做到以下幾步：

吸收光；

產生並分離電子-空穴對；

使空穴和電子傳播到催化劑與水的交界面；

從水中催化產生氫和氧。

以上每個步驟中可能發生的副反應都有可能降低整體的轉換效率。

為了衡量催化劑光解效率，科學家們定義了2個物理量：內部量子效率（IQE）和外部量子效率（EQE）。

如果水吸收的光子全部用來分解水，那麼IQE=100%。

但是IQE很難直接測量，這時候就要用到EQE。EQE是指照射反應容器的光子的效率。

水分子裏有兩個氫氧鍵，光分解就是用光子切斷這兩個化學鍵。

如果效率達到100%，那麼只要兩個光子就能切斷兩個氫氧鍵，產生一個氫分子（H2）。

所以EQE的定義為產生的氫原子數量（也就是氫分子數量2倍）與照射光子數量的比值：

EQE一般低於IQE，不難想象，照射反應容器的光不一定全被水吸收，還會有一部分損耗。

而日本科學家做到了EQE≈96%，證明了IQE接近100%，被水吸收的光子幾乎沒有浪費，全部被用來分解水分子了。

這種神奇的材料是如何做到如此高的效率呢？

抑制電荷複合，降低效率損失

研究人員選擇的初始材料，是鈦酸鍶（SrTiO3）。

這是一種特性良好的光催化劑，通過吸收紫外線來產生電子-空穴對。

不過，就像前文提到的，在此前的研究中，像這樣的光催化劑存在催化效率不高的問題。

造成損耗的其中一個原因，是電荷重組，這會使電子和空穴在參與分解水之前就重新結合在一起。

為了抑制電荷重組，研究人員採取了兩種方法：

一是提高光催化劑粒子的結晶度，從而減少晶格缺陷的數量。

二是將少量鋁原子融入晶格中，減少晶格中的化學缺陷數量。

​另外，研究人員發現，在鈦酸鍶晶體中，電子和空穴實際上會聚集在不同的晶體面上。

於是，研究人員利用這個特點，採用逐步光沉積法，將合適的催化劑專門鏈接到反應發生的位點，進一步抑制了電荷複合。

在這個過程中，研究人員選擇性地在小平面上沉積合適的助催化劑，以促進電子收集表面上氫氣的產生，和空穴收集面上氧氣的產生。

**△**圖源：Nature

為了防止有害的副反應，如氧還原反應的發生，研究人員將產氫反應中的銠助催化劑包裹在氧化鉻中，從物理上阻隔了氧氣與催化劑的相互作用。

經測定，在350nm、360nm、365nm紫外波段處，鋁摻雜鈦酸鍶（SrTiO3:Al）的EQE分別達到了95.7%、95.5%和91.6%。

這是目前光解水催化劑達到的最高效率。

在370nm和380nm處，EQE值分別下降至59.7%和33.6%，這是光吸收率下降的結果，也可能因為在這些波段，IQE較低。

而這也就意味着，在350-360nm這個波段，該光催化劑的IQE已經接近100%——理論上最強的光催化劑，IQE即為100%。

雖然這個催化劑僅在紫外波段有效，但對於沒有臭氧層的火星而言，或許是個不錯的選擇。

咦，火星？那馬斯克是不是能用上了？

給馬斯克支招

太陽提供的能量非常可觀，我們只要把照射到地球的太陽能的0.02%利用好，就能解決提供全球的能源消耗。

火星與太陽的距離是日地距離的1.5倍，因此表面的陽光強度只有地球的一半不到，但是火星表面大氣稀薄（僅地球的0.6%）而且沒有臭氧層，紫外線可以無障礙照射到地面。

所以如果能充分利用好太陽能，殖民火星不是問題。

問題是火星哪裏找水呢？答案就在馬斯克的瘋狂計劃裏。

馬斯克説要在火星上爆一萬個核彈，其實是想讓火星兩極的極冠裏的乾冰昇華，把二氧化碳釋放到火星大氣中，利用二氧化碳的温室效應提高火星表面温度。

馬斯克沒説的是，火星的極冠裏水冰的成分比干冰更多。

火星兩極的水冰不僅可以解決移民的用水問題，現在也能解決能源和氧氣問題，直接就地取材，不必從地球運輸。

未來，按照馬斯克的計劃，把兩極的二氧化碳放出後，火星表面的温度升到冰點以上，那麼就可以執行第二步計劃——分解水。

極冠是一處豐富的水源。另外，NASA好奇號火星探測器已經發現，火星土壤含有豐富的水分，重量百分比大約為1.5%~3%。

未來SpaceX可以把光解水催化劑運到火星上，水分解成氫氧可以作為燃料電池能源，氧氣也可以單獨分離出來，作為移民者的空氣來源，可謂一舉兩得。

雖然，日本科學家發現的催化劑達到實用尚需時間，但移民火星還要幾十年時間，馬斯克也説要努力活得更久，好去火星生活。

這幾十年裏，科技會發展成啥樣，又有誰能説得好呢？