【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：
- 吸收光
- 產生並分離電子—空穴對
- 使空穴和電子傳播到催化劑與水的交界面
- 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）和外部量子效率（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。
而日本科學家做到了 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：
- 提高光催化劑粒子的結晶度，從而減少晶格缺陷的數量。
- 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。
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
- An almost perfectly efficient light-activated catalyst for producing hydrogen from water
- arstechnica
- Photocatalytic water splitting with a quantum efficiency of almost unity
（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。）
