催化剂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
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 。 
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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(000591,股吧)电池公司SolarCity未来也能为火星移民提供电力 。 
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【催化剂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】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 。 
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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 。 
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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 。 
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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：
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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 。
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