马斯克先前说SpaceX预计在2050年前用火箭将100万人送上火星，并在火星创建人类的第二根据地！但想拓荒有那么容易吗？日本科学家发现一种催化剂，可以将能源完美地转换，马斯克的梦就要实现了吗？

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。

SolarCity太阳能电板被比下去了！光解水催化剂转换效率更高

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。

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。

高效率光解水催化剂有这“四大关键”

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：

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。

几近100%的效率！吸收的光子被发挥得淋漓尽致

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：

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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？

只要防止“电荷重组”发生，催化效率就不会降低

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。

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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：

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连接到反应发生的位点，进一步抑制了电荷重组。