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國際學(xué)術(shù)期刊《焦耳》的一篇最新論文引發(fā)學(xué)界廣泛關(guān)注。研究團(tuán)隊在詳細(xì)分析嫦娥五號取回的月壤(以下簡稱嫦娥五號月壤)的元素和礦物結(jié)構(gòu)后，發(fā)現(xiàn)月壤的一些活性化合物具有良好的催化性能。他們以其為催化劑，利用人工光合成技術(shù)，借助模擬太陽光，將水和二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣、氫氣、甲烷、甲醇。
“月壤是月球上最豐富的資源之一，月壤或月壤提取成分如果能作為月球上的人工光合成催化劑，可大大降低航天器的載荷和成本。將來也許在月球上可以就地取材，為宇航員提供生命支持，并制備燃料。”5月7日，在接受科技日報記者專訪時，論文共同第一作者、南京大學(xué)教授姚穎方如此展望。
月壤的元素構(gòu)成和微納結(jié)構(gòu)，使其具有良好的催化性能
2021年，南京大學(xué)作為中國空間技術(shù)研究院牽頭的聯(lián)合團(tuán)隊組成單位之一，獲得第一次發(fā)放的月球樣品1克。此次刊發(fā)成果的科研團(tuán)隊利用其中的0.2克進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了月壤的一些特質(zhì)。
“嫦娥五號月壤來自月球表面非常年輕的玄武巖，這種礦物中富含鐵、鈦等人工光合成中常用的催化劑成分。團(tuán)隊采用機器學(xué)習(xí)等方法，對月壤結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次分析，發(fā)現(xiàn)其中鈦鐵礦、氧化鈦等8種晶體礦物可以在人工光合成中發(fā)揮較好的催化性能。”姚穎方說。
月壤實際的催化性能如何?研究團(tuán)隊將月壤作為光伏電解水、光催化水分解、光催化二氧化碳還原、光熱催化二氧化碳加氫等反應(yīng)的催化材料，發(fā)現(xiàn)其在光伏電解水和光熱催化二氧化碳加氫反應(yīng)中，具有較高的性能和選擇性。
“在這些試驗中，我們施加了模擬太陽光，用水、二氧化碳做原料，將月壤與模擬的美國阿波羅計劃取回的月壤和地球表面的玄武巖進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)三者在光伏電解水反應(yīng)中，嫦娥五號月壤產(chǎn)生氧氣和氫氣的效率最高。而在光熱催化二氧化碳加氫反應(yīng)中，嫦娥五號月壤產(chǎn)生的甲烷、甲醇的效率也比其他材料要高。”姚穎方欣喜地表示，氧氣可為人類提供生命支持，甲烷是火箭推進(jìn)劑的有效成分，而甲醇是有機化學(xué)品原料。
研究還發(fā)現(xiàn)，月壤表面具有豐富的微孔和囊泡結(jié)構(gòu)，“這種微納結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了月壤的催化性能。”姚穎方說。
將爭取在未來航天計劃中搭載試驗
基于以上分析，研究團(tuán)隊針對月球環(huán)境，提出利用月壤實現(xiàn)地外人工光合成的策略與步驟。“利用月球夜間約-173℃的極低溫度，將二氧化碳從人類呼吸的空氣中凝結(jié)分離。然后利用太陽光，將嫦娥五號月壤作為水分解的電催化劑和二氧化碳加氫的光熱催化劑，把人類呼出的廢氣、月球表面開采的水資源等轉(zhuǎn)化為氧氣、氫氣、甲烷和甲醇。”姚穎方表示，利用地外人工光合成技術(shù)，也許只需要月球上的太陽能、水和月壤，便能產(chǎn)生氧氣和碳?xì)浠衔铮摷夹g(shù)有望借助于月球表面的溫度環(huán)境，實現(xiàn)低能耗和高效能量轉(zhuǎn)換。這為建立適應(yīng)月球極端環(huán)境的原位資源利用系統(tǒng)提供了潛在方案。
雖然月球土壤的催化效率低于地球上可用的催化劑，但姚穎方表示，研究團(tuán)隊還將對月壤中的有效催化成分進(jìn)行分離、提煉，力求得到更好的催化效果。
不過，地外人工光合成技術(shù)究竟能否在真實的月球環(huán)境中實現(xiàn)，還需進(jìn)一步驗證。姚穎方介紹，目前，他們正在聯(lián)合中國空間技術(shù)研究院的科研人員，爭取實現(xiàn)地外人工光合成技術(shù)在未來航天計劃中搭載試驗，進(jìn)行真實環(huán)境驗證。
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