理工學院鄒志剛團隊在Joule上發(fā)表月壤研究工作
近日，香港中文大學（深圳）理工學院的鄒志剛院士、朱熹教授、王璐教授、涂文廣教授和南京大學姚穎方教授、周勇教授、中國科技大學熊宇杰教授合作在《Joule》發(fā)表題為Extraterrestrial Photosynthesis by Chang’E-5 Lunar Soil的文章。
??《Joule》介紹
? ?Joule是Cell雜志的姊妹期刊，涵蓋了能源研究的各個方面，從基礎實驗室研究到能源轉(zhuǎn)換和存儲，再到全球范圍內(nèi)的有效分析，匯集了杰出而有見地的研究、分析和想法，以應對關鍵的全球挑戰(zhàn)，對可持續(xù)能源的需求。Joule 2021年的影響因子為 41.248，JCR分區(qū)Q1。
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? ??背景介紹：
在外層空間的嚴酷環(huán)境中，人能夠長期生存嗎？如何維持航天員最基本的生存需求？這是人類夢想飛出地球和探月工程首先要解決的問題。原位利用月球資源與能源可以幫助我們在月球上建立一個兼具生命支撐和支持航天器發(fā)射的中繼站。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(chǎn)生氧氣和碳氫化合物，有望成為月球的資源原位利用技術之一。這種技術能夠在寬溫度范圍下運行，實現(xiàn)低能耗和高效能量轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)這一目標可以極大地提高人類生存太空生存的可行性和持久性。作為月球上最豐富的資源之一，月壤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(xiàn)地外人工光合成提供了一個很好的機會。
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? ? ? ?研究概要：
本工作中，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。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(huán)境，提出利用月壤實現(xiàn)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(zhuǎn)化為O2、H2、CH4和CH3OH。這項工作為建立適應月球極端環(huán)境的原位資源利用系統(tǒng)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(tǒng)，人類或可實現(xiàn)“零能耗”的地外生命保障系統(tǒng)，真正支持月球探測、研究和旅行。
? ? ? ?本文亮點：
1. 用機器學習等方法明確嫦娥五號月壤中主要的晶體成分大約有24種，其中可作為人工光合成的催化劑有鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石、以及多種鐵基化合物等8種。
2. 實驗表明月壤在光電解水、光催化CO2還原、光熱催化CO2加氫等催化反應具有較高的性能和選擇性。
3. 該工作展示了建立適應月球極端環(huán)境的原位資源利用系統(tǒng)的應用潛力。
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? ? ? ?通訊作者簡介：
? ? ? ?鄒志剛， 2015 年當選中國科學院院士，2018 年當選發(fā)展中國家科學院院士。2018年起任中國空間技術研究院的空間站科學技術實驗科學委員會共同主席和太空探索實驗科學委員會共同主席。主要從事新型可再生能源與環(huán)境材料方面的研究，鄒院士在光催化領域做出了卓越的貢獻，被媒體稱為“光催化領域的前行者”。鄒志剛院士已在 Nature等國際一流期刊上發(fā)表論文 602 多篇，H指數(shù) 74，連續(xù) 5年入選愛思唯爾材料科學高被引學者，是材料領域有國際影響力的學術帶頭人。申請中國發(fā)明專利 200 多項，其中 83 項已獲授權；承擔兩屆國家重大基礎研究計劃 973 項目、國家自然科學基金中日合作項目、科技部國際合作重大項目等多項科研項目；獲國家自然科學二等獎 1 項、江蘇省科學技術一等獎 2 項，作為第一完成人獲第 46 屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展金獎及阿卜杜拉國王大學特別獎各 1項。
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