南京大學團隊用月壤實現地外人工光合成

這種技術能夠在寬溫度范圍下運行，實現低能耗和高效能量轉換。此外，地外人工光合成技術主要利用人類呼吸的CO2和月球上原位開采的水資源產生氧氣和碳氫化合物。實現這一目標可以極大地提高人類生存的可行性和持久性，同時具有很高的經濟效益。

作為月球上最豐富的資源之一，采用月壤作為地外人工光合成催化材料，是月球原位資源利用的重要組成部分。與地球上的催化劑相比，月壤或月壤提取成分作為月球上的人工光合成催化劑，可以大大降低航天器的載荷和成本。嫦娥五號月球樣品為實現地外人工光合成提供了一個很好的機會。近日，鄒志剛院士、姚穎方教授團隊與香港中文大學（深圳）、中國科學技術大學合作，詳細分析嫦娥五號月壤的元素組成和礦物結構，從光伏電解、光催化和光熱催化三個方面對嫦娥五號月壤的人工光合成性能進行了評估，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，為實現“零能耗”的月球生命保障系統奠定了物質基礎。

嫦娥五號月壤是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。研究團隊采用機器學習等方法，對月壤材料結構進行了多次分析，明確嫦娥五號月壤中主要的晶體成分大約有24種，其中作為人工光合成的良催化劑有鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石、以及多種鐵基化合物等8種。同時，月壤表面具有豐富的微孔和囊泡結構，這種微納結構進一步提高了月壤的催化性能。

研究團隊進而采用月壤作為光伏電解水、光催化水分解、光催化CO2還原、以及光熱催化CO2加氫等反應的催化材料，評估其性能。研究表明，月壤在光伏電解水和光熱催化CO2加氫反應中具有較高的性能和選擇性。基于以上分析，研究團隊針對月球環境，提出利用月壤實現地外人工光合成的可行策略與步驟。即利用月球夜間的極低溫度（-173°C），通過凝結將二氧化碳從人類呼吸空氣中直接分離。然后嫦娥五號月壤作為水分解的電催化劑和CO2加氫的光熱催化劑，將呼吸廢氣、月球表面開采的水資源等轉化為O2、H2、CH4和CH3OH。這項工作為建立適應月球極端環境的原位資源利用系統提供了潛在方案，并且只需要月球上的太陽能、水和月壤。基于該系統，人類或可實現“零能耗”的地外生命保障系統，真正支持月球探測、研究和旅行。

該工作的相關研究成果以“Extraterrestrial Photosynthesis by Chang’E-5 Lunar Soil”（利用嫦娥五號月壤實現地外光合成）為題，發表在國際權威期刊《焦耳》（Joule）上（https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011）。南京大學姚穎方教授、香港中文大學（深圳）王璐助理教授、朱熹助理教授、涂文廣科研助理教授為論文共同第一作者。中國科技大學熊宇杰教授、南京大學周勇教授、鄒志剛院士是論文的共同通訊作者。月球樣品由國家航天局提供（樣品編號：CE5C0400），該工作得到科技部“變革性技術關鍵科學問題”重點研發計劃、科工局民用航天技術重點項目、國家自然科學基金重大研究計劃、面上項目等項目資助，以及固體微結構物理國家重點實驗室、江蘇省納米技術重點實驗室、人工微結構科學與技術協同創新中心等支持。