Nature：光解水催化剂效率接近100%！马斯克移民火星的能源和氧气这下有了

鱼羊 晓查 2020-06-01 14:27:42 来源：量子位

边策 鱼羊 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

疯狂的“硅谷钢铁侠”马斯克说，要在火星上扔一万个核弹，目的是为了让火星两极的二氧化碳释放出来，把火星变得和地球一样温暖。

多年来，马斯克一直希望殖民火星，他的很多公司都和这个疯狂的想法有关。

SpaceX发射火箭自然不必说，太阳能电池公司SolarCity未来也能为火星移民提供电力。

最近，日本的科研人员给马斯克带来了一个好消息，移民火星计划可能不必为能源和氧气问题发愁了。

来自东京大学、信州大学的研究者发现了一种新的催化剂，用光分解水的效率（EQE）高达96%，还登上了最新一期的Nature。

用太阳光分解水过去不是没有人研究过，此前最常见的方法是用太阳能电板发电，再用电分解水。

但日本科学家这次的发现是效率最高的。比起用SolarCity太阳能电板发电再电解水，效率不知道高到哪里去了。

国内某天才公司，甚至还想出用铝来分解水，发明了所谓“水氢汽车”，但是铝的造价比氢气贵多了。

巧合的这次日本科学家也用到了铝，但铝是作为催化剂的一种成分，而非反应物，可以反复使用。

96%效率意味着什么

研究表明，如果太阳光催化分解水的效率达到10%，就能具备经济上的竞争力。

但是，光催化半导体的转换效率通常远低于10％。这是因为光催化过程非常复杂，并且要求半导体颗粒具有多种特性的组合。

要实现高效率地光解水，催化剂需要做到以下几步：

1. 吸收光；
2. 产生并分离电子-空穴对；
3. 使空穴和电子传播到催化剂与水的交界面；
4. 从水中催化产生氢和氧。

以上每个步骤中可能发生的副反应都有可能降低整体的转换效率。

为了衡量催化剂光解效率，科学家们定义了2个物理量：内部量子效率（IQE）和外部量子效率（EQE）。

如果水吸收的光子全部用来分解水，那么IQE=100%。

但是IQE很难直接测量，这时候就要用到EQE。EQE是指照射反应容器的光子的效率。

水分子里有两个氢氧键，光分解就是用光子切断这两个化学键。

如果效率达到100%，那么只要两个光子就能切断两个氢氧键，产生一个氢分子（H2）。

所以EQE的定义为产生的氢原子数量（也就是氢分子数量2倍）与照射光子数量的比值：

EQE一般低于IQE，不难想象，照射反应容器的光不一定全被水吸收，还会有一部分损耗。

而日本科学家做到了EQE≈96%，证明了IQE接近100%，被水吸收的光子几乎没有浪费，全部被用来分解水分子了。

这种神奇的材料是如何做到如此高的效率呢？

抑制电荷复合，降低效率损失

研究人员选择的初始材料，是钛酸锶（SrTiO3）。

这是一种特性良好的光催化剂，通过吸收紫外线来产生电子-空穴对。

不过，就像前文提到的，在此前的研究中，像这样的光催化剂存在催化效率不高的问题。

造成损耗的其中一个原因，是电荷重组，这会使电子和空穴在参与分解水之前就重新结合在一起。

为了抑制电荷重组，研究人员采取了两种方法：

一是提高光催化剂粒子的结晶度，从而减少晶格缺陷的数量。

二是将少量铝原子融入晶格中，减少晶格中的化学缺陷数量。

另外，研究人员发现，在钛酸锶晶体中，电子和空穴实际上会聚集在不同的晶体面上。

于是，研究人员利用这个特点，采用逐步光沉积法，将合适的催化剂专门链接到反应发生的位点，进一步抑制了电荷复合。

在这个过程中，研究人员选择性地在小平面上沉积合适的助催化剂，以促进电子收集表面上氢气的产生，和空穴收集面上氧气的产生。

△图源：Nature

为了防止有害的副反应，如氧还原反应的发生，研究人员将产氢反应中的铑助催化剂包裹在氧化铬中，从物理上阻隔了氧气与催化剂的相互作用。

经测定，在350nm、360nm、365nm紫外波段处，铝掺杂钛酸锶（SrTiO3:Al）的EQE分别达到了95.7%、95.5%和91.6%。

这是目前光解水催化剂达到的最高效率。

在370nm和380nm处，EQE值分别下降至59.7%和33.6%，这是光吸收率下降的结果，也可能因为在这些波段，IQE较低。

而这也就意味着，在350-360nm这个波段，该光催化剂的IQE已经接近100%——理论上最强的光催化剂，IQE即为100%。

虽然这个催化剂仅在紫外波段有效，但对于没有臭氧层的火星而言，或许是个不错的选择。

咦，火星？那马斯克是不是能用上了？

给马斯克支招

太阳提供的能量非常可观，我们只要把照射到地球的太阳能的0.02%利用好，就能解决提供全球的能源消耗。

火星与太阳的距离是日地距离的1.5倍，因此表面的阳光强度只有地球的一半不到，但是火星表面大气稀薄（仅地球的0.6%）而且没有臭氧层，紫外线可以无障碍照射到地面。

所以如果能充分利用好太阳能，殖民火星不是问题。

问题是火星哪里找水呢？答案就在马斯克的疯狂计划里。

马斯克说要在火星上爆一万个核弹，其实是想让火星两极的极冠里的干冰升华，把二氧化碳释放到火星大气中，利用二氧化碳的温室效应提高火星表面温度。

马斯克没说的是，火星的极冠里水冰的成分比干冰更多。

火星两极的水冰不仅可以解决移民的用水问题，现在也能解决能源和氧气问题，直接就地取材，不必从地球运输。

未来，按照马斯克的计划，把两极的二氧化碳放出后，火星表面的温度升到冰点以上，那么就可以执行第二步计划——分解水。

极冠是一处丰富的水源。另外，NASA好奇号火星探测器已经发现，火星土壤含有丰富的水分，重量百分比大约为1.5%~3%。

未来SpaceX可以把光解水催化剂运到火星上，水分解成氢氧可以作为燃料电池能源，氧气也可以单独分离出来，作为移民者的空气来源，可谓一举两得。

虽然，日本科学家发现的催化剂达到实用尚需时间，但移民火星还要几十年时间，马斯克也说要努力活得更久，好去火星生活。

这几十年里，科技会发展成啥样，又有谁能说得好呢？

参考链接：
https://www.nature.com/articles/d41586-020-01455-w
https://arstechnica.com/science/2020/05/new-material-releases-hydrogen-from-water-at-near-perfect-efficiency/?comments=1
https://www.nature.com/articles/s41586-020-2278-9

— 完 —