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作者：量子位



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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%

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規

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%。







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。





為了抑制電荷重組，研究人員採取了兩種方法：


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。



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？

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原來是這樣啊 跟我想的一樣

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