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國際學術期刊《焦耳》的一篇最新論文引發學界廣泛關注。研究團隊在詳細分析嫦娥五號取回的月壤（以下簡稱嫦娥五號月壤）的元素和礦物結構后，發現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，借助模擬太陽光，將水和二氧化碳轉化為氧氣、氫氣、甲烷、甲醇。

“月(yue)壤(rang)是(shi)月(yue)球上(shang)最豐富的(de)(de)資源之一，月(yue)壤(rang)或月(yue)壤(rang)提(ti)取成分如果(guo)能作為月(yue)球上(shang)的(de)(de)人工光合成催化劑，可大(da)大(da)降低航天器的(de)(de)載荷和成本(ben)。將(jiang)來也(ye)許(xu)在(zai)月(yue)球上(shang)可以就地(di)取材，為宇航員提(ti)供(gong)生命支持，并制備燃料。”5月(yue)7日，在(zai)接受科技日報記者(zhe)專訪時，論(lun)文共同第一作者(zhe)、南京大(da)學教授姚穎方如此展(zhan)望。

月壤的元素構成和微納結構，使其具有良好的催化性能

2021年，南(nan)京大學作為中(zhong)國空間(jian)技術研究院牽頭的聯合(he)團(tuan)隊組(zu)成單位之一(yi)，獲得(de)第一(yi)次發放的月(yue)球(qiu)樣(yang)品1克。此次刊發成果的科研團(tuan)隊利(li)用其中(zhong)的0.2克進行研究，發現(xian)了月(yue)壤的一(yi)些特質。

“嫦(chang)娥五號(hao)月壤來(lai)自月球表面非常年輕的玄(xuan)武巖，這種礦(kuang)物(wu)中富(fu)含鐵、鈦(tai)等人工光合成(cheng)中常用的催化(hua)劑成(cheng)分(fen)。團隊采用機器學習等方法(fa)，對月壤結(jie)構進行了(le)多次分(fen)析，發現其中鈦(tai)鐵礦(kuang)、氧化(hua)鈦(tai)等8種晶(jing)體礦(kuang)物(wu)可以在人工光合成(cheng)中發揮較好的催化(hua)性能。”姚穎方說。

月(yue)壤實際(ji)的(de)催化(hua)性能如(ru)何？研究團隊(dui)將月(yue)壤作為(wei)光伏電(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)、光催化(hua)水(shui)分解(jie)(jie)、光催化(hua)二氧化(hua)碳還原、光熱催化(hua)二氧化(hua)碳加(jia)氫(qing)等反應的(de)催化(hua)材料，發現其在光伏電(dian)(dian)解(jie)(jie)水(shui)和光熱催化(hua)二氧化(hua)碳加(jia)氫(qing)反應中，具(ju)有較(jiao)高的(de)性能和選擇性。

“在(zai)這些(xie)試驗中(zhong)，我們施加(jia)了(le)模擬(ni)太陽光(guang)，用(yong)水、二氧(yang)化(hua)碳(tan)做原(yuan)料，將月(yue)壤與模擬(ni)的(de)(de)美國阿波羅計劃取回的(de)(de)月(yue)壤和地(di)(di)球表面的(de)(de)玄武巖進行對比，發現(xian)三者在(zai)光(guang)伏電(dian)解水反應中(zhong)，嫦娥(e)五(wu)號月(yue)壤產生氧(yang)氣和氫(qing)氣的(de)(de)效率最高。而(er)在(zai)光(guang)熱催化(hua)二氧(yang)化(hua)碳(tan)加(jia)氫(qing)反應中(zhong)，嫦娥(e)五(wu)號月(yue)壤產生的(de)(de)甲烷(wan)、甲醇的(de)(de)效率也比其他材料要高。”姚(yao)穎方欣喜地(di)(di)表示(shi)，氧(yang)氣可為(wei)人類(lei)提供(gong)生命支持(chi)，甲烷(wan)是(shi)火(huo)箭推進劑的(de)(de)有效成分(fen)，而(er)甲醇是(shi)有機化(hua)學品原(yuan)料。

研究還發現，月壤表(biao)面具(ju)有豐富的微孔(kong)和(he)囊泡(pao)結(jie)構，“這種微納結(jie)構進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(shang)分析，研究(jiu)團隊針對月(yue)球環(huan)境，提出利(li)(li)用月(yue)壤(rang)實現地(di)外(wai)人工光(guang)合(he)成的(de)(de)策略(lve)與步驟。“利(li)(li)用月(yue)球夜間約-173℃的(de)(de)極低溫度，將(jiang)(jiang)二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)從人類(lei)(lei)呼(hu)吸(xi)的(de)(de)空氣(qi)中凝結(jie)分離。然后利(li)(li)用太(tai)陽光(guang)，將(jiang)(jiang)嫦娥五(wu)號月(yue)壤(rang)作為水(shui)分解(jie)的(de)(de)電催化(hua)劑(ji)和二(er)氧(yang)化(hua)碳(tan)加氫的(de)(de)光(guang)熱催化(hua)劑(ji)，把人類(lei)(lei)呼(hu)出的(de)(de)廢氣(qi)、月(yue)球表(biao)面(mian)開采的(de)(de)水(shui)資源等轉化(hua)為氧(yang)氣(qi)、氫氣(qi)、甲烷和甲醇。”姚(yao)穎方表(biao)示，利(li)(li)用地(di)外(wai)人工光(guang)合(he)成技(ji)術，也許只需要月(yue)球上(shang)的(de)(de)太(tai)陽能、水(shui)和月(yue)壤(rang)，便能產生氧(yang)氣(qi)和碳(tan)氫化(hua)合(he)物，該技(ji)術有望(wang)借(jie)助于月(yue)球表(biao)面(mian)的(de)(de)溫度環(huan)境，實現低能耗和高效(xiao)能量轉換。這為建立適應月(yue)球極端環(huan)境的(de)(de)原(yuan)位資源利(li)(li)用系統提供(gong)了潛(qian)在方案。

雖然(ran)月球(qiu)土壤的(de)催化(hua)效率低于地(di)球(qiu)上(shang)可(ke)用(yong)的(de)催化(hua)劑，但(dan)姚穎方表示，研究團隊還將對月壤中的(de)有效催化(hua)成分(fen)進(jin)行分(fen)離、提煉，力(li)求得到更好的(de)催化(hua)效果。

不過，地(di)外人(ren)工(gong)(gong)光合(he)成技術究(jiu)竟能否在(zai)(zai)真實(shi)的月(yue)球環境中(zhong)實(shi)現(xian)(xian)，還需進(jin)(jin)一(yi)步驗證。姚穎方介(jie)紹(shao)，目(mu)前(qian)，他們正在(zai)(zai)聯(lian)合(he)中(zhong)國空間技術研究(jiu)院(yuan)的科研人(ren)員，爭取實(shi)現(xian)(xian)地(di)外人(ren)工(gong)(gong)光合(he)成技術在(zai)(zai)未來航天計劃中(zhong)搭(da)載(zai)試驗，進(jin)(jin)行(xing)真實(shi)環境驗證。