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...

2020-12-06 澎湃新聞

原創 關注前沿科技 量子位

邊策 魚羊 發自 凹非寺

量子位 報導 | 公眾號 QbitAI

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。

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，可以反覆使用。

96%效率意味著什麼

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。

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？

抑制電荷複合，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：

一是提高光催化劑粒子的結晶度，從而減少晶格缺陷的數量。

二是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連結到反應發生的位點，進一步抑制了電荷複合。

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。

經測定，在350nm、360nm、365nm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果，也可能因為在這些波段，IQE較低。

而這也就意味著，在350-360nm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？

給馬斯克支招

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。

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提高火星表面溫度。

馬斯克沒說的是，火星的極冠裡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。

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：

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

作者系網易新聞·網易號「各有態度」籤約作者

原標題：《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》

閱讀原文

相關焦點

  • Nature:光解水催化劑效率接近100%!馬斯克移民火星計劃有新招了
    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。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。
  • 日本發現「光解水催化劑」,能源轉換效率接近100%
    馬斯克先前說SpaceX預計在2050年前用火箭將100萬人送上火星，並在火星創建人類的第二根據地！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？
  • 接近100%的光解水催化劑!氫能源替代石油,能源革命開始了?
    研究人員發現了一種神奇的催化劑，在這種催化劑的作用下，用光來分解水，產生氫氣和氧氣的效率可以達到幾乎100%。氫氣，是下一代能源的重要候選人之一。以往類似的讓光分解水產生氫氣的研究，反應效率通常都在10%以下。這一次直接把效率提高到了理論上的最大值，也就是接近100%。
  • 馬斯克和他的火星移民計劃
    根據外國媒體最新的報導，馬斯克最近一次在新聞媒體會議上公布了他未來的火星移民計劃，他表示未來十年裡將會有100萬人被送上火星生活。事實上，如果火星本身的條件太差，沒什麼用處，那麼即使有錢，也不可能在火星上建立移民基地。然而，從美國宇航局近年來對火星的探索來看，火星上的情況並不像預期的那樣糟糕。長期以來，人類沒有發現火星表面存在液態水，大氣中幾乎沒有氧氣。然而，在美國宇航局和歐洲航天局的聯合探索之後，他們發現在火星的一些隕石坑區域可能還有一些水冰物質。這些水冰物質是否能被人類利用還需要進一步研究。
  • 馬斯克：火星移民不是夢！30年內，百萬人類或將成功移民火星
    那麼，在未來30年內，人類憑著日益進步的科學技術，能成功移民火星嗎？1.6%的氬氣和0.15%的氧氣及0.03%的水汽組成，可以說，火星上是幾乎沒有氧氣的。火星的傾斜角度與地球十分相似，火星也如同地球一般有著四季之分，火星與地球相比，離太遠遠些，所以各季節長度不一致，又因遠日點接近北半球夏至，北半球春夏比秋冬各長約40天。
  • 火星探測器紛紛上天，人類離移民火星還遠嗎？
    據說，馬斯克造汽車、造火箭、挖隧道，還有搞能源公司，用賺來的錢和研究出的技術，為「火星移民」做準備，並計劃在2050年送100萬人上火星。對於我們這些整天在地球忙忙碌碌的人類來說，可能會非常好奇：火星到底有啥獨特的魅力，吸引這麼多國家投入巨資去做探測？還吸引著馬斯克這樣的科技狂人要去搞什麼「火星移民」？現在我們距離火星移民還有多遠呢？
  • 馬斯克為何執著於上火星?100萬人移民火星現實嗎?
    ，並將帶領100萬人移民火星時，你多半會認為這個人有精神類疾病。　　天才和瘋狂之間有一條很好的界限，想要真正改變這個世界，需要同時具備這兩種特質。或許這句話是很多人對馬斯克的評價，認為馬斯克殖火星的計劃，將促使人類科技向前邁進一大步，但事實卻並非如此，馬斯克殖民火星更多是為了完成個人夢想，以滿足內心的哲學欲望，因為馬斯克得哲學觀認為，人類應該成為跨星球物種。
  • 花20萬美元移民火星?馬斯克火星移民詳細計劃來襲!
    馬斯克稱，人類只有兩條路可以選擇，選擇待在地球面臨滅亡，或是成為太空文明的一份子。火星移民計劃的目的，是使人類成為「多星球物種」，這也是馬斯克創立SpaceX公司的初衷。各位親，準備好了咩？宇宙飛船要起航啦！
  • 讓我們移民火星!馬斯克提出的火星移民計劃,現在也許不再是夢想
    火星移民計劃是由埃隆·馬斯克所對媒體透露的移民火星並在火星建立社區的計劃。「我們幹的好像都是別人能幹的事情，但馬斯克幹的別人想都想不到。」就以馬斯克想移民火星這件事來說，這個世界上又能有幾個人能想到呢？還付諸於行動的又有多少？
  • 火星氧氣暴增30%，原因成謎，馬斯克聲稱移民火星勢在必行
    這似乎是一個信號，一個預兆著地球末日的信號。因而，21世紀的星球移民不是為了遊玩，而是為了生存。帶著這層全新的含義，你就會發現星球移民這四個字變得異常沉重了。它的體積是地球的七分之一，質量是地球的十一分之一，具備大氣層和巖石層，運行軌道和運行軌跡都與地球極為相似，其南部儲存著大量的可用冰，儲量大，易開採。由此可見，火星確實是人類移民的首選星球。
  • 清潔能源「點金石」:高效光解水催化劑問世
    倘若有一種神奇的催化劑，能夠只依靠太陽光完全分解水，生成氫氣和氧氣，那麼人類也許可以永遠擺脫能源危機的陰影。而如今，休斯頓大學包吉明教授的團隊又朝著目標前進了一大步——他們發現氧化鈷納米晶可以高效催化水在太陽光下的分解反應。這項研究成果發表在本周的《自然-納米技術》上。催化光解水是一項自上世紀七十年代以來被廣泛關注的領域。
  • 2050年100萬人移民火星,馬斯克又發大計劃!專家:這就是作死!
    馬斯克公布的細節包括，太空探索技術公司每天向火星發射3艘星際飛船，即每年大約發射1000艘星際飛船。而每艘星際飛船能負載的物品質量超過100噸，還能同時承載100人。累計下來，馬斯克每年發射的1000艘星際飛船能夠向火星運載100兆噸物品和10萬人。最後到2050年能將100萬人送往火星。
  • 建立火星基地越來越靠譜?利用火星天然鹽水,可製造氧氣和氫燃料
    月球和火星將是人類記在小本子上要率先徵服的兩個星球。美國宇航局的重返月球計劃將在2024年之前讓太空人登陸月球。與馬斯克的太空競爭，誰將送首位女性登月，貝佐斯的BE-7引擎點火然後在2030-2040年期間將人類送往火星，美國民間商業火箭公司SpaceX在馬斯克的帶領下更為激進一些，他們的計劃是在2025年左右讓第一批人類站在火星上。
  • 馬斯克SpaceX的火星移民騙局
    前面說SpaceX的火箭回收，有很多人為馬斯克打抱不平，現在說一說SpaceX的第二個騙局，火星移民。 火星移民這話題不是馬斯克第一個提出來的，卻是第一個說自己要實施的計劃，這也是SpaceX火箭炒的很火的另一個原因，「火星一號」更是騙了一百萬美元的報名費，中國報名的人數更是達到一萬人。如果要是讓我去實施火星移民，我成功的概率會比馬斯克大一百倍。
  • 如果馬斯克真的實現火星移民計劃!那麼,至少有1萬國人移居火星
    對於馬斯克的「怪」，其實大家早已見怪不怪了，因為從他宣布要進行火星移民計劃的那刻，估計全世界的人都會嘴巴張得比拳頭還大了。大家可能都知道，火星是除金星之外離地球最近的行星，與地球的距離在5570萬公裡～12000萬公裡之間。夜間天空中的火星熒熒如火，亮度常變，令人迷惑，所以中國古代稱火星為「熒惑」。
  • 馬斯克的火星移民計劃是理想和商業的完美結合
    SpaceX的龍飛船載人發射升空並與國際空間站成功對接，標誌著商業載人航天時代的來臨，在這之前，進入太空的絕大多數都是專業航天員。而載人航天正是馬斯克火星移民計劃的一部分。美國的市場環境有利於創新，而馬斯克就是這幾年升起的一顆耀眼新星。相對於微軟、谷歌，馬斯克顯得極為激進，創新的目的指向拯救人類。這是在響應霍金對人類前景的擔憂。霍金曾經說過，人類必須在30年內離開地球，以避免因人口過多和氣候變化而滅絕。他說，需要在火星和月球上建立殖民地是至關重要的，並且要在諾亞方舟上建立一個新的動物、真菌和昆蟲的世界。
  • 30年內100萬人上火星?火星移民計劃可行嗎?
    在火星上面，要水沒水，如今最多就是在火星南北極地區發現水冰，要氧氣沒氧氣，火星氧氣大約只佔0.14% 上面我們也說了條件如今是不滿足的，但是如今「火星移民」的計劃還是在實施，在2020年，美國太空探索技術公司（SpaceX）創始人馬斯克在社交媒體上發布了「2050年前（也就是30年內）將100萬人送往火星」計劃的詳細信息。
  • 移民火星成為現實!專家:「將水轉化成氧氣就可以了」
    太空機構和私人公司在很早之前就已經有了「移民火星」的計劃，越來越多的類地行星被發現，使得人類渴望太空旅行的感覺越來越強烈，然而「移民火星」的過程中，人類在太空中生存並不容易太空中氧氣稀少（太空中並不是空無一物的），而地球與火星的距離太遠，物資很難進行快速補充。但是最近在《自然通訊》上發表的一份研究報告表明，「移民火星」已經有了一些更加可靠的方法，該報告說明人類「移民火星」或將成為現實，那麼這份研究報告是如何使「移民火星」成為現實的呢？
  • :富含氧空位的新型BiVO4雙光陽極用於高效太陽能光解水
    雖然BiVO4的帶隙比光電分解水的理想帶隙2.0 eV略大，但它的導帶邊緣位置非常靠近H2析出電位，因此與許多其它光陽極材料相比，在低電勢區域，BiVO4具有更低的起始電勢和更高的光電流密度。 　　鑑於這些優勢，BiVO4光陽極常被用在光解水-光伏串聯繫統上進行太陽能驅動的無偏壓水分解。
  • 火星載人登陸不是夢?馬斯克為在火星製造火箭燃料找到了辦法
    火星作為現今最適合移民的星球，爭先被各國探索。面對送人上火星這個大課題，首先要確定的就是旅程不能只有單程票。因此，火箭設計的時候就應該預留好回程所需的燃料以及物資，尤其是燃料。因為要飛回地球，飛船首先要脫離火星引力再飛回地球的引力範圍，而脫離火星引力時需要的加速度所消耗的燃料是非常巨大的，無異從地球飛往火星時所用的燃料量，這對運載力是個巨大的挑戰。