科研速递 | 理工学院邹志刚教授团队在Joule上发表月壤研究工作

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在《Joule》发表题为Extraterrestrial Photosynthesis by Chang’E-5 Lunar Soil的文章。

期刊介绍

Joule是Cell杂志的姊妹期刊，涵盖了能源研究的各个方面，从基础实验室研究到能源转换和存储，再到全球范围内的有效分析，汇集了杰出而有见地的研究、分析和想法，以应对关键的全球挑战，对可持续能源的需求。Joule 2021年的影响因子为 41.248，JCR分区Q1。

背景介绍

在外层空间的严酷环境中，人能够长期生存吗？如何维持航天员最基本的生存需求？这是人类梦想飞出地球和探月工程首先要解决的问题。原位利用月球资源与能源可以帮助我们在月球上建立一个兼具生命支撑和支持航天器发射的中继站。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，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生存太空生存的可行性和持久性。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，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。

研究概要

本工作中，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。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。

本文亮点

1. 用机器学习等方法明确嫦娥五号月壤中主要的晶体成分大约有24种，其中可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。

2. 实验表明月壤在光电解水、光催化CO2还原、光热催化CO2加氢等催化反应具有较高的性能和选择性。

3. 该工作展示了建立适应月球极端环境的原位资源利用系统的应用潜力。

通讯作者简介

邹志刚， 2015 年当选中国科学院院士，2018 年当选发展中国家科学院院士。2018年起任中国空间技术研究院的空间站科学技术实验科学委员会共同主席和太空探索实验科学委员会共同主席。主要从事新型可再生能源与环境材料方面的研究，邹院士在光催化领域做出了卓越的贡献，被媒体称为“光催化领域的前行者”。邹志刚院士已在 Nature等国际一流期刊上发表论文 602 多篇，H指数 74，连续 5年入选爱思唯尔材料科学高被引学者，是材料领域有国际影响力的学术带头人。申请中国发明专利 200 多项，其中 83 项已获授权；承担两届国家重大基础研究计划 973 项目、国家自然科学基金中日合作项目、科技部国际合作重大项目等多项科研项目；获国家自然科学二等奖 1 项、江苏省科学技术一等奖 2 项，作为第一完成人获第 46 届日内瓦国际发明展金奖及阿卜杜拉国王大学特别奖各 1项。

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