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光解水制氫釋放量達(dá)到多少-合格標(biāo)準(zhǔn)
發(fā)布時(shí)間：2022-11-18 瀏覽量：1931
瘋狂的“硅谷鋼鐵俠”馬斯克說(shuō)，要在火星上扔一萬(wàn)個(gè)核彈，目的是為了讓火星兩極的二氧化碳釋放出來(lái)，把火星變得和地球一樣溫暖。
多年來(lái)，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(shuō)，太陽(yáng)能電池公司SolarCity未來(lái)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(lái)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(wèn)題發(fā)愁了。
來(lái)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(guò)去不是沒(méi)有人研究過(guò)，此前最常見(jiàn)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。
國(guó)內(nèi)某天才公司，甚至還想出用鋁來(lái)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。
96%效率意味著什么
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^(guò)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：
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(lái)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：
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(méi)有浪費(fèi)，全部被用來(lái)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？
抑制電荷復(fù)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(guò)吸收紫外線來(lái)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。
不過(guò)，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(wèn)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。
