月壤材料结构研究取得进展 月壤或可用来“生产”氧气和燃料

在科幻小说家的笔下，未来人类可以“移民”月球生活。这一天会到来吗?2020年12月17日，我国嫦娥五号月球探测器携带1731克月球“土特产”成功返回地球，为人类进一步探究“月球的秘密”奠定了基础。近日，香港中文大学(深圳)理工学院的邹志刚院士、朱熹教授、王璐教授、涂文广教授和南京大学姚颖方教授、周勇教授，中国科技大学熊宇杰教授合作采用机器学习等方法，对月壤材料结构进行了多次分析，明确月壤含有一些活性化合物。它们可以作为催化剂，借助太阳光，将水和二氧化碳转化为氧气、氢气和甲烷、甲醇。该研究成果在《焦耳》上发表。

地外人工光合成指的是在外太空，通过原位太阳能或其他能量的利用，实现人工光合成的过程。该技术主要利用人类呼吸的二氧化碳和月球上原位开采的水资源产生氧气和碳氢化合物，有望成为月球的资源原位利用技术之一。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，实现这一目标可以极大地提高人类在太空生存的可行性和持久性。而作为月球上最丰富的资源之一，月壤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，无疑可以大大降低航天器的载荷和成本。

邹志刚教授团队及其合作伙伴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、光催化二氧化碳还原，以及光热催化二氧化碳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二氧化碳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℃)，通过凝结将二氧化碳从人类呼吸空气中直接分离，然后将月壤作为水分解的电催化剂和二氧化碳加氢的光热催化剂，将呼吸废气、月球表面开采的水资源等转化为氧气、氢气、甲烷和甲醇。其中，甲醇是人类有机合成中的主要原料，而甲烷是太空飞行器在地外极其需要的燃料成分。

尽管月壤的催化效率低于地球上可用的催化剂，但采用原位的地外人工光合成技术，可以大幅度减少人类进入外太空的载荷，节约了大量成本。这项工作只需要月球上的太阳能、水和月壤，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。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。(记者 吴吉 通讯员 马明霞)

关键词： 嫦娥五号月球探测器 1731克月球土特产 月壤材料 活性化合物