【移民火星有望了!】日本發現「光解水催化劑」,能源轉換效率接近 100%

【我們為什麼挑選這篇文章】馬斯克先前說 SpaceX 預計在 2050 年前用火箭將 100 萬人送上火星,並在火星建立人類的第二根據地!但想拓荒有那麼容易嗎?日本科學家發現一種催化劑,可以將能源完美地轉換,馬斯克的夢就要實現了嗎?(責任編輯:賴佩萱)

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作者:量子位

瘋狂的「矽谷鋼鐵俠」馬斯克說,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瘋狂的想法有關。

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

SolarCity 太陽能電板被比下去了!光解水催化劑轉換效率更高

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,效率不知道高到哪裡去了。

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,可以反複使用

高效率光解水催化劑有這「四大關鍵」

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:

  1. 吸收光
  2. 產生並分離電子—空穴對
  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。

幾近 100% 的效率!吸收的光子被發揮得淋漓盡致

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)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。

水分子裡有兩個氫氧鍵, 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,不難想像,照射反應容器的光不一定全被水吸收,還會有一部分損耗。

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?

只要防止「電荷重組」發生,催化效率就不會降低

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:

  1. 提高光催化劑粒子的結晶度,從而減少晶格缺陷的數量。
  2. 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,進一步抑制了電荷重組。

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

(圖片來源: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

光解水催化劑在火星可發揮功效!馬斯克不用擔心電力了

經測定,在 350 nm、360 nm、365 nm 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 370 nm 和 380 nm 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。

而這也就意味著, 在 350-360 nm 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?

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。

馬斯克狂言:在火星上投核彈,水源也不成問題

問題是火星哪裡找水呢?答案就在馬斯克的瘋狂計劃裡。

馬斯克說要在火星上爆一萬個核彈,其實是 想讓火星兩極的極冠裡的乾冰昇華,把二氧化碳釋放到火星大氣中,利用二氧化碳的溫室效應提高火星表面溫度

馬斯克沒說的是,火星的極冠里水冰的成分比乾冰更多。

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,火星表面的溫度升到冰點以上,那麼就可以執行第二步計劃——分解水。

水、空氣、電力如果都有了,移民火星還差什麼?

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,馬斯克也說要努力活得更久,好去火星生活。

這幾十年裡,科技會發展成啥樣,又有誰能說得好呢?

參考連結

(本文經 AI 新媒體 量子位 授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈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 〉,首圖來源:量子位 。)

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