全自動月壤資源化利用實現高效地外燃料和氧氣供應

　　可持續的燃料和氧氣供應是人類在月球建立地外定居點的必要條件。在地球上，通過光伏和電催化相結合，并以二氧化碳（CO2）和水為原料，科研人員已經成功實現人工合成碳氫燃料和氧氣。因此該技術被認為是實現地外燃料和氧氣供應的潛在方案之一。近年來隨著月球探測的快速進步，研究人員發現月球表面具有可觀的二氧化碳和水儲量，進一步證實了該設想的可行性。然而，目前缺乏有效的催化劑、復雜的催化劑合成工藝等因素使得電催化CO2轉化似乎只能在地外空間以實驗室規模進行，所得燃料和氧氣產率太低，遠遠無法滿足人類的需求。

　　2021年，南京大學作為中國空間技術研究院牽頭的聯合團隊組成單位之一，獲得第一次發放的月球樣品。針對以上目標，近日我校熊宇杰教授/龍冉教授等作為協作團隊，與南京大學鄒志剛院士/姚穎方教授團隊緊密協作，發現“嫦娥五號”取回的月壤可以進行原位資源化利用（ISRU），作為電催化劑驅動地外燃料和氧氣的生產。他們與我校江俊教授、羅毅教授和楊金龍院士合作，進一步展示了利用機器人實現從催化劑制備到地外燃料和氧氣生產的全過程無人化操作。這種高效的地外燃料和氧氣生產系統有望推動人類文明向地外定居點發展。這項研究由中國科學技術大學、南京大學、中國空間技術研究院合作完成，相關成果以“In situ resource utilization of lunar soil for highly efficient extraterrestrial fuel and oxygen supply”為題發表在國際學術期刊《國家科學評論》(National Science Review)上。

圖1.“嫦娥五號”返回月壤樣品。

　　此次的“嫦娥五號”取回的月壤（月球樣品由國家航天局提供，樣品編號：CE5C0400），是自1976年前蘇聯Luna 24任務以來第一個從月球帶回的月壤樣品。鑒于該工作的主要目的是實現月壤的原位資源化利用，研究人員以月壤作為催化劑，直接在月壤上負載銅，用于電催化CO2轉化測試。研究發現低電壓輸入下，銅負載月壤在CO2供氣條件下的電流密度明顯高于Ar供氣條件下，表明了月壤作為該反應催化劑的巨大潛力。核磁共振與氣相色譜檢測證明該反應的主要產物的為氫氣、甲烷和一氧化碳。

　　在確定了月壤原位資源化利用作為催化劑的潛力后，研究人員進一步分析月壤在電催化過程中的主要活性成分，以優化碳氫燃料的選擇性。首先經過多種表征測試，確定了其主要成分為輝石、斜長石、橄欖石和鈦鐵礦。研究人員發現輝石是月壤作為電催化劑的主要活性成分，進一步研究發現輝石中的硅酸鎂具有優異的電催化二氧化碳轉化活性。隨后，通過在硅酸鎂上負載銅，實現了高效的甲烷（產生速率為0.8 mL/min）和氧氣（產生速率為2.3 mL/min）生產。該性能可以與地球上現有的電催化劑性能相媲美，展現出了月壤資源化利用的巨大潛力。

圖2. 電催化CO2轉化系統中催化劑制備到地外燃料和氧氣生產的全過程無人操作。

　　此外，鑒于地外空間有限的勞動力資源，開發全自動的電催化CO2轉化系統尤為關鍵。受限于較為復雜的工藝流程，二氧化碳轉化系統的無人操作被認為是實現該技術在地外應用的瓶頸之一。因此，該研究團隊將電催化CO2轉化系統盡可能地簡化，以滿足機器人系統的操作需求，實現了該系統中催化劑制備、電解槽組裝與電催化反應的全自動無人操作。

圖3. 模擬月壤的全過程無人操作視頻。

　　我校熊宇杰教授、江俊教授、龍冉教授與南京大學鄒志剛教授、姚穎方教授為該論文的共同通訊作者。我校博士研究生鐘元、劉敬祥特任副研究員與朱青特任副研究員為該論文共同第一作者。該項目得到了由中國空間技術研究院牽頭的聯合團隊汪衛華院士和姚偉研究員的大力支持，得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金委的資助。

　　論文鏈接：https://academic.oup.com/nsr/advance-article/doi/10.1093/nsr/nwac200/6712344