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            鄒志剛院士團隊，勁爆Joule！利用月壤進行地外人工光合作用！
            
        
            專題網友投稿2022-05-09A+A-
            
        
            
     
            

            鄒志剛院士團隊，勁爆Joule！利用月壤進行地外人工光合作用！
            

            
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            在月球上的長期生存將是載人深空探索長征的第一個里程碑。隨著載人深空探測的不斷深入，研制月球生命保障系統具有重要的技術意義和科學意義。
            

            

南京大學鄒志剛院士、周勇教授，
中國科學技術大學熊宇杰教授
等人研究表明，從結構和成分分析來看，嫦娥五號月球土壤(CE-5)樣品具有在月球上實現太陽能轉化的潛力，即地外光合成催化劑。通過評價嫦娥五號月球土壤樣品作為光伏驅動電催化劑、光催化劑和光熱催化劑的性能，利用太陽能、水和月球土壤可以實現全解水和二氧化碳轉化，并為月球生命提供一系列的目標產物，包括O
2
、H
2
、CH
4
和CH
3
OH。因此，作者提出了一種在月球上可能實現的外星光合作用途徑，這將有助于人類實現“能源零消耗”的外星生命保障系統。


            

            

            

相關工作以《
Extraterrestrial photosynthesis by Chang′E-5 lunar soil
》為題在《
Joule
》上發表論文。


            

            

            

            

            

            

            圖文介紹
            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

圖1. 
CE-5樣品與阿波羅-12樣品的比較


            

            

首先對CE-5樣品進行形態表征，所得TEM圖像如圖1A-1C所示?？梢杂^察到玻璃相、單晶片和多孔材料。應用基于機器學習的分析方法分析CE-5樣品的XRD數據(圖1D)，從而有可能預測地外光合作用的潛在催化活性成分。


            

            

值得注意的是，CE-5樣品的粉末XRD (PXRD)譜圖不同于阿波羅-12樣品的PXRD譜圖。相比較而言，嫦娥五號帶回的玄武巖形成年齡為20.30±0.04億年，其含有鐵、鎂基成分，如正輝石、輝石和輝石，而缺乏硅、鋁基成分。對3個不同批次的CE-5樣品進行XRD分析，結果表明樣品成分相似。其他表征技術也被用于檢測元素結構，共同證實了富含鐵、鎂的玄武巖的存在。


            

            

            圖2. 月球土壤的催化性能
            

            

在CE-5樣品上應用了一系列太陽能基催化技術。首次研究了三電極結構的光伏驅動電催化(PV-EC)技術。此時，CE-5作為陽極析氧反應(OER)電催化劑和陰極析氫反應(HER)電催化劑。如圖2A所示，使用光伏發電，太陽能制氫效率可達1%。此外，還利用CE-5作為光催化劑，在UV-vis照射下評價水介質條件下CO
2
的還原性能。如圖2B所示，CO產率高達6.07±1.83 μmmol g
-1
h
-1
，CH
4
產率達到0.20±0.12 μmmol g
-1
h
-1
。CO選擇性為96.8%。進一步研究了CE-5樣品在接近月球環境溫度下作為光熱CO
2
加氫催化劑的作用。如圖2C所示，產物主要由甲醇和甲烷組成，分別可作為有機合成的基礎和燃料添加劑。甲醇和甲烷的生產速率可達~22.9和~15.2 μmmol g
-1
h
-1
。甲醇選擇性達到了~60%。


            

            

            圖3. 所提出的地外光合作用技術
            

            

基于上述不同太陽能技術的催化性能，本文提出了一種綜合太陽能轉換途徑，即地外光合作用。在月球上，極端的環境溫度使得二氧化碳可以通過凝結直接從“空氣”中分離出來。以嫦娥5號采樣的月球土壤為例，將其作為電解水催化劑與光熱CO
2
加氫催化劑，從而可獲得O
2
、H
2
、CH
4
和CH
3
OH。作者認為CE-5的地外光合作用過程的分析可分為3個步驟：(1)鑒定成分，嘗試使用CE-5作為地外光合作用催化劑；(2)識別活性成分，分析各成分的效率；(3)嘗試分解土壤，提取、純化最有效成分，用于高效地催化地外光合作用。


            

            

            

            

            

            

            文獻信息
            

            

            

            

            

            

            

            

            Extraterrestrial photosynthesis by Chang′E-5 lunar soil，Joule，2022.
            

            https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011
            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            


            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

            

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