南京大学团队用月壤实现地外人工光合成

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这种技术能够在宽温度范围下运行，实现低能耗和高效能量转换。此外，地外人工光合成技术主要利用人类呼吸的CO2和月球上原位开采的水资源产生氧气和碳氢化合物。实现这一目标可以极大地提高人类生存的可行性和持久性，同时具有很高的经济效益。

作为月球上最丰富的资源之一，采用月壤作为地外人工光合成催化材料，是月球原位资源利用的重要组成部分。与地球上的催化剂相比，月壤或月壤提取成分作为月球上的人工光合成催化剂，可以大大降低航天器的载荷和成本。嫦娥五号月球样品为实现地外人工光合成提供了一个很好的机会。近日，邹志刚院士、姚颖方教授团队与香港中文大学（深圳）、中国科学技术大学合作，详细分析嫦娥五号月壤的元素组成和矿物结构，从光伏电解、光催化和光热催化三个方面对嫦娥五号月壤的人工光合成性能进行了评估，并基于月壤人工光合成性能提出了可行的月球地外人工光合成策略，为实现“零能耗”的月球生命保障系统奠定了物质基础。

嫦娥五号月壤是月球表面非常年轻的玄武岩，这种矿物中富含铁、钛等人工光合成中常用的催化剂成分。研究团队采用机器学习等方法，对月壤材料结构进行了多次分析，明确嫦娥五号月壤中主要的晶体成分大约有24种，其中作为人工光合成的良催化剂有钛铁矿、氧化钛、羟基磷灰石、以及多种铁基化合物等8种。同时，月壤表面具有丰富的微孔和囊泡结构，这种微纳结构进一步提高了月壤的催化性能。

研究团队进而采用月壤作为光伏电解水、光催化水分解、光催化CO2还原、以及光热催化CO2加氢等反应的催化材料，评估其性能。研究表明，月壤在光伏电解水和光热催化CO2加氢反应中具有较高的性能和选择性。基于以上分析，研究团队针对月球环境，提出利用月壤实现地外人工光合成的可行策略与步骤。即利用月球夜间的极低温度（-173°C），通过凝结将二氧化碳从人类呼吸空气中直接分离。然后嫦娥五号月壤作为水分解的电催化剂和CO2加氢的光热催化剂，将呼吸废气、月球表面开采的水资源等转化为O2、H2、CH4和CH3OH。这项工作为建立适应月球极端环境的原位资源利用系统提供了潜在方案，并且只需要月球上的太阳能、水和月壤。基于该系统，人类或可实现“零能耗”的地外生命保障系统，真正支持月球探测、研究和旅行。

该工作的相关研究成果以“Extraterrestrial Photosynthesis by Chang’E-5 Lunar Soil”（利用嫦娥五号月壤实现地外光合成）为题，发表在国际权威期刊《焦耳》（Joule）上（https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011）。南京大学姚颖方教授、香港中文大学（深圳）王璐助理教授、朱熹助理教授、涂文广科研助理教授为论文共同第一作者。中国科技大学熊宇杰教授、南京大学周勇教授、邹志刚院士是论文的共同通讯作者。月球样品由国家航天局提供（样品编号：CE5C0400），该工作得到科技部“变革性技术关键科学问题”重点研发计划、科工局民用航天技术重点项目、国家自然科学基金重大研究计划、面上项目等项目资助，以及固体微结构物理国家重点实验室、江苏省纳米技术重点实验室、人工微结构科学与技术协同创新中心等支持。