如何看待 "Nature：光解水催化劑效率接近100%！"

馬斯克是瘋狂的“矽谷鋼鐵俠”，多年來，他一直希望殖民火星，他曾說過要是在火星上扔一萬個核彈，就可以把火星兩極的極冠裡的二氧化碳釋放出來，火星就會變得和地球一樣溫暖，而且其中的水冰還可以解決移民的用水問題，也能解決能源和氧氣問題，直接就地取材，不必從地球運輸。

埃隆·馬斯克

前段時間，來自東京大學、信州大學的科研人員發現了一種新的催化劑，解決了馬斯克移民火星計劃的能源和氧氣問題，該團隊研究出的這種催化劑光分解水的效率（EQE）高達96%，還登上了最新一期的Nature。

96%的效率意味著什麼？

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。

要實現高效率的光解水，催化劑需要做到以下幾步：

1.吸收光；

2.產生並分離電子-空穴對；

3.使空穴和電子傳播到催化劑與水的交介面；

4.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。

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）。這就表明被水吸收的光子幾乎沒有浪費，全部被用來分解水分子了。就是這種神奇的材料，被這個研究團隊研究出來了

大家看了以後可能會欣喜若狂，接近100%的轉化率，這對人類來說意味著什麼？什麼可控核聚變？什麼高溫超導？通通不需要了！其實，原文說的是“量子效率”，這和我們理解的“效率”或者“轉化率”可是兩回事啊。量子效率指的是入射光子轉換電子的比率，也就是入射的一個光子能夠轉化成幾個電子。一般的太陽能電池有內部量子效率（IQE）和外部量子效率（EQE）之分，區別在於後者是電子除以所有入射光子，而前者是電子除以吸收的光子。

這篇Nature論文上寫的是：在350至360nm之間的波長下，總水分解的外部量子效率高達96％，這相當於內部量子效率幾乎為1。大家明確了上面的基礎概念，就應該能理解這篇論文的關鍵點了。350至360nm是紫外線波段，太陽光最主要還是集中在可見光波段。有的人可能會說地球上的太陽光主要集中在可見光波段是因為臭氧層的存在，火星上沒有臭氧層完全可以使用啊，有這種疑問的讀者可以去了解一下黑體輻射維恩位移定律。雖然目前它的應用價值還未被完全開發，意義也不是很大，但是從科研的角度來說，有了一個突破，然後就是找機理，然後複製、擴充套件，要相信人類的智慧嘛。而且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。

火星

這幾十年裡，科技會發展成什麼樣，誰又能說的準呢？要是在可見光波段實現這個效率而且可以實現大規模量產，那這不就是新一輪的能源革命嗎？