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光解水是怎么發(fā)現(xiàn)的-1937年
發(fā)布時(shí)間：2022-11-03 瀏覽量：2243
馬斯克先前說SpaceX預(yù)計(jì)在2050年前用火箭將100萬人送上火星，并在火星創(chuàng)建人類的第二根據(jù)地！但想拓荒有那么容易嗎？日本科學(xué)家發(fā)現(xiàn)一種催化劑，可以將能源完美地轉(zhuǎn)換，馬斯克的夢(mèng)就要實(shí)現(xiàn)了嗎？
瘋狂的“硅谷鋼鐵俠”馬斯克說，要在火星上扔一萬個(gè)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(gè)瘋狂的想法有關(guān)。
SpaceX發(fā)射火箭自然不必說，太陽(yáng)能電池公司SolarCity未來也能為火星移民提供電力。
SolarCity太陽(yáng)能電板被比下去了！光解水催化劑轉(zhuǎn)換效率更高
最近，日本的科研人員給馬斯克帶來了一個(gè)好消息，移民火星計(jì)劃可能不必為能源和氧氣問題發(fā)愁了。
來自東京大學(xué)、信州大學(xué)的研究者發(fā)現(xiàn)了一種新的催化劑，用“光分解水”的效率（EQE）高達(dá)96%，還登上了最新一期的Nature。
用太陽(yáng)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(yáng)能電板發(fā)電，再用電分解水。
但日本科學(xué)家這次的發(fā)現(xiàn)是效率最高的。比起用SolarCity太陽(yáng)能電板發(fā)電再電解水，效率不知道高到哪里去了。
某天才公司，甚至還想出用鋁來分解水，發(fā)明了所謂“水氫汽車”，但是鋁的造價(jià)比氫氣貴多了。
巧合的這次日本科學(xué)家也用到了鋁，但鋁是作為催化劑的一種成分，而非反應(yīng)物，可以反復(fù)使用。
高效率光解水催化劑有這“四大關(guān)鍵”
研究表明，如果太陽(yáng)光催化分解水的效率達(dá)到10%，就能具備經(jīng)濟(jì)上的競(jìng)爭(zhēng)力。
但是，光催化半導(dǎo)體的轉(zhuǎn)換效率通常遠(yuǎn)低于10%。這是因?yàn)楣獯呋^程非常復(fù)雜，并且要求半導(dǎo)體顆粒具有多種特性的組合。
要實(shí)現(xiàn)高效率地光解水，催化劑需要做到以下幾步：
以上每個(gè)步驟中可能發(fā)生的副反應(yīng)都有可能降低整體的轉(zhuǎn)換效率。
幾近100%的效率！吸收的光子被發(fā)揮得淋漓盡致
為了衡量催化劑光解效率，科學(xué)家們定義了2個(gè)物理量：內(nèi)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，那么IQE=100%。
但是IQE很難直接測(cè)量，這時(shí)候就要用到EQE。EQE是指照射反應(yīng)容器的光子的效率。
水分子里有兩個(gè)氫氧鍵，光分解就是用光子切斷這兩個(gè)化學(xué)鍵。
如果效率達(dá)到100%，那么只要兩個(gè)光子就能切斷兩個(gè)氫氧鍵，產(chǎn)生一個(gè)氫分子（H2）。
所以EQE的定義為產(chǎn)生的氫原子數(shù)量（也就是氫分子數(shù)量2倍）與照射光子數(shù)量的比值：
圖片
EQE一般低于IQE，不難想象，照射反應(yīng)容器的光不一定全被水吸收，還會(huì)有一部分損耗。
而日本科學(xué)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(fèi)，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(fā)生，催化效率就不會(huì)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(chǎn)生電子—空穴對(duì)。
圖片
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(gè)原因，是電荷重組，這會(huì)使電子和空穴在參與分解水之前就重新結(jié)合在一起。
為了抑制電荷重組，研究人員采取了兩種方法：
另外，研究人員發(fā)現(xiàn)，在鈦酸鍶晶體中，電子和空穴實(shí)際上會(huì)聚集在不同的晶體面上。
于是，研究人員利用這個(gè)特點(diǎn)，采用逐步光沉積法，將合適的催化劑專門連接到反應(yīng)發(fā)生的位點(diǎn)，進(jìn)一步抑制了電荷重組。
