中国学者发现嫦娥五号月壤可催化生产氧气和燃料

嫦娥五号带回来的月球“土特产”又有新发现。近日,南京大学邹志刚院士、姚颖方教授团队与多所高校、科研院所合作,通过研究0.2克月壤样本,发现其中一些成分可作为催化剂,在太阳光作用下,将水和二氧化碳转化为氧气和燃料。

基于这一发现,研究人员提出,未来可以利用月球自身资源建设月球基地,支持深空探测、研究和旅行。

这项研究由南京大学、中国空间技术研究院、香港中文大学、中国科学技术大学合作完成。相关成果发表在国际学术期刊《焦耳》上。

中国学者发现嫦娥五号月壤可催化生产氧气和燃料 这是存放在南京大学月球样品实验室的嫦娥五号月壤样本。新华社记者 陈席元摄

据论文第一作者、南京大学教授姚颖方介绍,2021年以来,作为中国空间技术研究院联合研究团队成员,南京大学团队对1克月壤开展了研究。此次研究人员采用机器学习等研究方法,详细分析了其中0.2克样本的结构组成。

在南京大学月球样品实验室,记者见到了存放月壤样本的“手套箱”。这台机器的内部环境与外界隔绝,研究人员需要将双手伸入手套筒内方能操作。姚颖方告诉记者,“手套箱”通过不断向内部注入氮气,将氧气和水分的含量控制在极低水平,并保证内部气压高于外部,以防止月壤样本受到污染。

中国学者发现嫦娥五号月壤可催化生产氧气和燃料 这是南京大学月球样品实验室的“手套箱”,用于保存嫦娥五号月壤样本。新华社记者 陈席元摄

“在本研究中,我们从材料学角度,对月壤进行详细的矿物分析,发现了24种主要矿物。”姚颖方表示,“嫦娥五号月壤样本主要来自月球表面的玄武岩,富含铁、钛等元素,而这些是人工光合成中常用的催化剂成分。”

研究人员将月壤用作催化剂,参与光伏电解水、光催化水分解、光催化二氧化碳还原、光热催化二氧化碳加氢等4项反应。结果显示,在光伏电解水和光热催化二氧化碳加氢反应中,月壤样本表现出优于地球玄武岩的催化性能。

中国学者发现嫦娥五号月壤可催化生产氧气和燃料 这是存放在南京大学月球样品实验室的嫦娥五号月壤样本。新华社记者 陈席元摄

“这些反应以水和二氧化碳为原料,在模拟太阳光的照射下,生成氧气、氢气、甲烷和甲醇。”姚颖方介绍,“其中,氧气是人类赖以生存的资源,氢气和甲烷是火箭推进剂的重要组成部分,甲醇则是重要的化工原料。”

“或许我们以后能够在月球建设一座小型化工厂。”姚颖方告诉记者,此次研究旨在考察月壤能否被资源化利用。“如果我们能够在月球上就地取材,将月球自身资源以及人体代谢废物转化为资源和能源,就可以减小载人航天的成本。”

姚颖方介绍,每一份月壤都是无价之宝,正式实验前,研究人员会使用地球表面的玄武岩碎屑等物质做模拟实验。

“但是与地球样本相比,嫦娥五号月壤样本的催化性能高出一个数量级,而且表现出更好的选择性。”姚颖方表示,所谓“选择性”是指催化反应产物的专一性。“月壤的催化产物只有甲烷和甲醇两种物质。用地球上的玄武岩屑做实验,催化产物也有少量甲烷和甲醇,但绝大部分是一氧化碳。虽然一氧化碳也可燃,但因为它的毒性,我们还是不希望在航空航天活动中见到它。”

为什么月球表面和地球表面的玄武岩屑不一样?研究人员推测,太阳风数以几十亿年计的“吹拂”发挥了作用,尤其是太阳风带有的氢、氦等元素“改造”了月壤。“对此我们正在进一步研究。”姚颖方说。

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