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

2020-06-01 17:10 来源：澎湃新闻·澎湃号·湃客

原创 关注前沿科技 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：
吸收光；
产生并分离电子-空穴对；
使空穴和电子传播到催化剂与水的交界面；
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。