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

魚羊 曉查 2020-06-01 14:27:42 來源：量子位

邊策 魚羊 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI

瘋狂的“硅谷鋼鐵俠”馬斯克說，要在火星上扔一萬個(gè)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溫暖。

多年來，馬斯克一直希望殖民火星，他的很多公司都和這個(gè)瘋狂的想法有關(guān)。

SpaceX發(fā)射火箭自然不必說，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(gè)好消息，移民火星計(jì)劃可能不必為能源和氧氣問題發(fā)愁了。

來自東京大學(xué)、信州大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，用光分解水的效率（EQE）高達(dá)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(fā)電，再用電分解水。

但日本科學(xué)家這次的發(fā)現(xiàn)是效率最高的。比起用SolarCity太陽能電板發(fā)電再電解水，效率不知道高到哪里去了。

國(guó)內(nèi)某天才公司，甚至還想出用鋁來分解水，發(fā)明了所謂“水氫汽車”，但是鋁的造價(jià)比氫氣貴多了。

巧合的這次日本科學(xué)家也用到了鋁，但鋁是作為催化劑的一種成分，而非反應(yīng)物，可以反復(fù)使用。

96%效率意味著什么

研究表明，如果太陽光催化分解水的效率達(dá)到10%，就能具備經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力。

但是，光催化半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換效率通常遠(yuǎn)低于10％。這是因?yàn)楣獯呋^程非常復(fù)雜，并且要求半導(dǎo)體顆粒具有多種特性的組合。

要實(shí)現(xiàn)高效率地光解水，催化劑需要做到以下幾步：

1. 吸收光；
2. 產(chǎn)生并分離電子-空穴對(duì)；
3. 使空穴和電子傳播到催化劑與水的交界面；
4. 從水中催化產(chǎn)生氫和氧。

以上每個(gè)步驟中可能發(fā)生的副反應(yīng)都有可能降低整體的轉(zhuǎn)換效率。

為了衡量催化劑光解效率，科學(xué)家們定義了2個(gè)物理量：內(nèi)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，那么IQE=100%。

但是IQE很難直接測(cè)量，這時(shí)候就要用到EQE。EQE是指照射反應(yīng)容器的光子的效率。

水分子里有兩個(gè)氫氧鍵，光分解就是用光子切斷這兩個(gè)化學(xué)鍵。

如果效率達(dá)到100%，那么只要兩個(gè)光子就能切斷兩個(gè)氫氧鍵，產(chǎn)生一個(gè)氫分子（H2）。

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

EQE一般低于IQE，不難想象，照射反應(yīng)容器的光不一定全被水吸收，還會(huì)有一部分損耗。

而日本科學(xué)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(fèi)，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？

抑制電荷復(fù)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(chǎn)生電子-空穴對(duì)。

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(gè)原因，是電荷重組，這會(huì)使電子和空穴在參與分解水之前就重新結(jié)合在一起。

為了抑制電荷重組，研究人員采取了兩種方法：

一是提高光催化劑粒子的結(jié)晶度，從而減少晶格缺陷的數(shù)量。

二是將少量鋁原子融入晶格中，減少晶格中的化學(xué)缺陷數(shù)量。

另外，研究人員發(fā)現(xiàn)，在鈦酸鍶晶體中，電子和空穴實(shí)際上會(huì)聚集在不同的晶體面上。

于是，研究人員利用這個(gè)特點(diǎn)，采用逐步光沉積法，將合適的催化劑專門鏈接到反應(yīng)發(fā)生的位點(diǎn)，進(jìn)一步抑制了電荷復(fù)合。

在這個(gè)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(jìn)電子收集表面上氫氣的產(chǎn)生，和空穴收集面上氧氣的產(chǎn)生。

△圖源：Nature

為了防止有害的副反應(yīng)，如氧還原反應(yīng)的發(fā)生，研究人員將產(chǎn)氫反應(yīng)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(jīng)測(cè)定，在350nm、360nm、365nm紫外波段處，鋁摻雜鈦酸鍶（SrTiO3:Al）的EQE分別達(dá)到了95.7%、95.5%和91.6%。

這是目前光解水催化劑達(dá)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(jié)果，也可能因?yàn)樵谶@些波段，IQE較低。

而這也就意味著，在350-360nm這個(gè)波段，該光催化劑的IQE已經(jīng)接近100%——理論上最強(qiáng)的光催化劑，IQE即為100%。

雖然這個(gè)催化劑僅在紫外波段有效，但對(duì)于沒有臭氧層的火星而言，或許是個(gè)不錯(cuò)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?？捎^，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(qiáng)度只有地球的一半不到，但是火星表面大氣稀?。▋H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。

問題是火星哪里找水呢？答案就在馬斯克的瘋狂計(jì)劃里。

馬斯克說要在火星上爆一萬個(gè)核彈，其實(shí)是想讓火星兩極的極冠里的干冰升華，把二氧化碳釋放到火星大氣中，利用二氧化碳的溫室效應(yīng)提高火星表面溫度。

馬斯克沒說的是，火星的極冠里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(xiàn)在也能解決能源和氧氣問題，直接就地取材，不必從地球運(yùn)輸。

未來，按照馬斯克的計(jì)劃，把兩極的二氧化碳放出后，火星表面的溫度升到冰點(diǎn)以上，那么就可以執(zhí)行第二步計(jì)劃——分解水。

極冠是一處豐富的水源。另外，NASA好奇號(hào)火星探測(cè)器已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，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(yùn)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(dú)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(xué)家發(fā)現(xiàn)的催化劑達(dá)到實(shí)用尚需時(shí)間，但移民火星還要幾十年時(shí)間，馬斯克也說要努力活得更久，好去火星生活。

這幾十年里，科技會(huì)發(fā)展成啥樣，又有誰能說得好呢？

參考鏈接：
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

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