中國學者發現嫦娥五號月壤可催化生產氧氣和燃料

  嫦娥五號帶回來的月球「土特產」又有新發現。近日,南京大學鄒志剛院士、姚穎方教授團隊與多所高校、科研院所合作,通過研究0.2克月壤樣本,發現其中一些成分可作為催化劑,在太陽光作用下,將水和二氧化碳轉化為氧氣和燃料。

  基於這一發現,研究人員提出,未來可以利用月球自身資源建設月球基地,支持深空探測、研究和旅行。

  這項研究由南京大學、中國空間技術研究院、香 港中文大學(深圳)、中國科學技術大學合作完成。相關成果發表在國際學術期刊《焦耳》上。

  這是存放在南京大學月球樣品實驗室的嫦娥五號月壤樣本。新華社記者 陳席元攝

  據論文第一作者、南京大學教授姚穎方介紹,2021年以來,作為中國空間技術研究院聯合研究團隊成員,南京大學團隊對1克月壤開展了研究。此次研究人員採用機器學習等研究方法,詳細分析了其中0.2克樣本的結構組成。

  在南京大學月球樣品實驗室,記者見到了存放月壤樣本的「手套箱」。這台機器的內部環境與外界隔絕,研究人員需要將雙手伸入手套筒內方能操作。姚穎方告訴記者,「手套箱」通過不斷向內部注入氮氣,將氧氣和水分的含量控制在極低水平,並保證內部氣壓高於外部,以防止月壤樣本受到污染。

  這是南京大學月球樣品實驗室的「手套箱」,用於保存嫦娥五號月壤樣本。新華社記者 陳席元攝

  「在本研究中,我們從材料學角度,對月壤進行詳細的礦物分析,發現了24種主要礦物。」姚穎方表示,「嫦娥五號月壤樣本主要來自月球表面的玄武岩,富含鐵、鈦等元素,而這些是人工光合成中常用的催化劑成分。」

  研究人員將月壤用作催化劑,參與光伏電解水、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4項反應。結果顯示,在光伏電解水和光熱催化二氧化碳加氫反應中,月壤樣本表現出優於地球玄武岩的催化性能。

  這是存放在南京大學月球樣品實驗室的嫦娥五號月壤樣本。新華社記者 陳席元攝

  「這些反應以水和二氧化碳為原料,在模擬太陽光的照射下,生成氧氣、氫氣、甲烷和甲醇。」姚穎方介紹,「其中,氧氣是人類賴以生存的資源,氫氣和甲烷是火箭推進劑的重要組成部分,甲醇則是重要的化工原料。」

  「或許我們以後能夠在月球建設一座小型化工廠。」姚穎方告訴記者,此次研究旨在考察月壤能否被資源化利用。「如果我們能夠在月球上就地取材,將月球自身資源以及人體代謝廢物轉化為資源和能源,就可以減小載人航天的成本。」

  姚穎方介紹,每一份月壤都是無價之寶,正式實驗前,研究人員會使用地球表面的玄武岩碎屑等物質做模擬實驗。

  「但是與地球樣本相比,嫦娥五號月壤樣本的催化性能高出一個數量級,而且表現出更好的選擇性。」姚穎方表示,所謂「選擇性」是指催化反應產物的專一性。「月壤的催化產物只有甲烷和甲醇兩種物質。用地球上的玄武岩屑做實驗,催化產物也有少量甲烷和甲醇,但絕大部分是一氧化碳。雖然一氧化碳也可燃,但因為它的毒性,我們還是不希望在航空航天活動中見到它。」

  為什麼月球表面和地球表面的玄武岩屑不一樣?研究人員推測,太陽風數以幾十億年計的「吹拂」發揮了作用,尤其是太陽風帶有的氫、氦等元素「改造」了月壤。「對此我們正在進一步研究。」姚穎方說。(記者陳席元、劉宇軒、陳聖煒)

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