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Nature:光解水催化剂效率接近100%!

  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。

  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。

  为了抑制电荷重组,研究人员采取了两种方法:

  一是提高光催化剂粒子的结晶度,从而减少晶格缺陷的数量。

  二是将少量铝原子融入晶格中,减少晶格中的化学缺陷数量。

  另外,研究人员发现,在钛酸锶晶体中,电子和空穴实际上会聚集在不同的晶体面上。

  于是,研究人员利用这个特点,采用逐步光沉积法,将合适的催化剂专门链接到反应发生的位点,进一步抑制了电荷复合。

  在这个过程中,研究人员选择性地在小平面上沉积合适的助催化剂,以促进电子收集表面上氢气的产生,和空穴收集面上氧气的产生。


△图源:Nature

  为了防止有害的副反应,如氧还原反应的发生,研究人员将产氢反应中的铑助催化剂包裹在氧化铬中,从物理上阻隔了氧气与催化剂的相互作用。

  经测定,在350nm、360nm、365nm紫外波段处,铝掺杂钛酸锶(SrTiO3:Al)的EQE分别达到了95.7%、95.5%和91.6%。

  这是目前光解水催化剂达到的最高效率。

  在370nm和380nm处,EQE值分别下降至59.7%和33.6%,这是光吸收率下降的结果,也可能因为在这些波段,IQE较低。

  而这也就意味着,在350-360nm这个波段,该光催化剂的IQE已经接近100%——理论上最强的光催化剂,IQE即为100%。

  虽然这个催化剂仅在紫外波段有效,但对于没有臭氧层的火星而言,或许是个不错的选择。

  咦,火星?那马斯克是不是能用上了?

  给马斯克支招

  太阳提供的能量非常可观,我们只要把照射到地球的太阳能的0.02%利用好,就能解决提供全球的能源消耗。

  火星与太阳的距离是日地距离的1.5倍,因此表面的阳光强度只有地球的一半不到,但是火星表面大气稀薄(仅地球的0.6%)而且没有臭氧层,紫外线可以无障碍照射到地面。

  所以如果能充分利用好太阳能,殖民火星不是问题。

  问题是火星哪里找水呢?答案就在马斯克的疯狂计划里。

  马斯克说要在火星上爆一万个核弹,其实是想让火星两极的极冠里的干冰升华,把二氧化碳释放到火星大气中,利用二氧化碳的温室效应提高火星表面温度。

  马斯克没说的是,火星的极冠里水冰的成分比干冰更多。

  火星两极的水冰不仅可以解决移民的用水问题,现在也能解决能源和氧气问题,直接就地取材,不必从地球运输。

  未来,按照马斯克的计划,把两极的二氧化碳放出后,火星表面的温度升到冰点以上,那么就可以执行第二步计划——分解水。

  极冠是一处丰富的水源。另外,NASA好奇号火星探测器已经发现,火星土壤含有丰富的水分,重量百分比大约为1.5%~3%。

  未来SpaceX可以把光解水催化剂运到火星上,水分解成氢氧可以作为燃料电池能源,氧气也可以单独分离出来,作为移民者的空气来源,可谓一举两得。

  虽然,日本科学家发现的催化剂达到实用尚需时间,但移民火星还要几十年时间,马斯克也说要努力活得更久,好去火星生活。

  这几十年里,科技会发展成啥样,又有谁能说得好呢?(边策 鱼羊 发自 凹非寺)

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