熊宇杰等：全自动月壤资源化利用实现高效地外燃料和氧气供应

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可持续的燃料和氧气供应是人类在月球建立地外定居点的必要条件。在地球上，通过光伏和电催化相结合，并以二氧化碳（CO2）和水为原料，科研人员已经成功实现人工合成碳氢燃料和氧气。因此该技术被认为是实现地外燃料和氧气供应的潜在方案之一。近年来随着月球探测的快速进步，研究人员发现月球表面具有可观的二氧化碳和水储量，进一步证实了该设想的可行性。然而，目前缺乏有效的催化剂、复杂的催化剂合成工艺等因素使得电催化 CO2转化似乎只能在地外空间以实验室规模进行，所得燃料和氧气产率太低，远远无法满足人类的需求。
       2021年，南京大学作为中国空间技术研究院牵头的联合团队组成单位之一，获得第一次发放的月球样品。针对以上目标，近日我校熊宇杰教授/龙冉教授等作为协作团队，与南京大学邹志刚院士/姚颖方教授团队紧密协作，发现“嫦娥五号”取回的月壤可以进行原位资源化利用（ISRU），作为电催化剂驱动地外燃料和氧气的生产。他们与我校江俊教授、罗毅教授和杨金龙院士合作，进一步展示了利用机器人实现从催化剂制备到地外燃料和氧气生产的全过程无人化操作。这种高效的地外燃料和氧气生产系统有望推动人类文明向地外定居点发展。这项研究由中国科学技术大学、南京大学、中国空间技术研究院合作完成，相关成果以“In situ resource utilization of lunar soil for highly efficient extraterrestrial fuel and oxygen supply”为题发表在国际学术期刊《国家科学评论》(National Science Review)上。

图 1. “嫦娥五号”返回月壤样品。

        此次的“嫦娥五号”取回的月壤（月球样品由国家航天局提供，样品编号：CE5C0400），是自 1976 年前苏联 Luna 24 任务以来第一个从月球带回的月壤样品。鉴于该工作的主要目的是实现月壤的原位资源化利用，研究人员以月壤作为催化剂，直接在月壤上负载铜，用于电催化CO2转化测试。研究发现低电压输入下，铜负载月壤在CO2供气条件下的电流密度明显高于Ar供气条件下，表明了月壤作为该反应催化剂的巨大潜力。核磁共振与气相色谱检测证明该反应的主要产物的为氢气、甲烷和一氧化碳。
       在确定了月壤原位资源化利用作为催化剂的潜力后，研究人员进一步分析月壤在电催化过程中的主要活性成分，以优化碳氢燃料的选择性。首先经过多种表征测试，确定了其主要成分为辉石、斜长石、橄榄石和钛铁矿。研究人员发现辉石是月壤作为电催化剂的主要活性成分，进一步研究发现辉石中的硅酸镁具有优异的电催化二氧化碳转化活性。随后，通过在硅酸镁上负载铜，实现了高效的甲烷（产生速率为0.8 mL/min）和氧气（产生速率为2.3 mL/min）生产。该性能可以与地球上现有的电催化剂性能相媲美，展现出了月壤资源化利用的巨大潜力。

图2. 电催化CO2转化系统中催化剂制备到地外燃料和氧气生产的全过程无人操作。

         此外，鉴于地外空间有限的劳动力资源，开发全自动的电催化CO2转化系统尤为关键。受限于较为复杂的工艺流程，二氧化碳转化系统的无人操作被认为是实现该技术在地外应用的瓶颈之一。因此，该研究团队将电催化CO2转化系统尽可能地简化，以满足机器人系统的操作需求，实现了该系统中催化剂制备、电解槽组装与电催化反应的全自动无人操作。

图3. 模拟月壤的全过程无人操作视频。

        我校熊宇杰教授、江俊教授、龙冉教授与南京大学邹志刚教授、姚颖方教授为该论文的共同通讯作者。我校博士研究生钟元、刘敬祥特任副研究员与朱青特任副研究员为该论文共同第一作者。该项目得到了由中国空间技术研究院牵头的联合团队汪卫华院士和姚伟研究员的大力支持，得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委的资助。
       论文链接：https://academic.oup.com/nsr/adv ... nsr/nwac200/6712344
          文章来源：中科大
       熊宇杰，中国科学技术大学教授、博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者（2017），科技部中青年科技创新领军人才（2016），英国皇家化学会会士（FRSC）。1996年进入中国科学技术大学少年班系学习，2000年获得化学物理学士学位，2004年获得无机化学博士学位。2004-2007年在美国华盛顿大学（西雅图）进行博士后研究，2007-2009年在美国伊利诺伊大学香槟分校任助理研究员，2009-2011年在美国华盛顿大学圣路易斯分校任国家纳米技术基础设施组织首席研究员。2011年回到中国科学技术大学工作，2018年起任应用化学系执行系主任、合肥微尺度物质科学国家研究中心纳米催化与能量转化研究部主任。主要研究方向是基于无机固体材料结构的原子精度控制，实现关键小分子的活化与调控，用于太阳能驱动的化学品合成。已在Science等国际刊物上发表160余篇论文，其中近五年在JACS、Angew. Chem.和Adv. Mater.三大化学与材料期刊上发表28篇通讯作者论文，总引用16,000余次（H指数61），连续四年入选Elsevier中国高被引学者（化学）榜单。近年来曾获国家自然科学二等奖（第三完成人，2012）、中国化学会青年化学奖（2013）、中国科学院优秀导师奖（2014，2015，2016，2018）、香港求是杰出青年学者奖（2014）、美国华人化学与化学生物学教授协会杰出教授奖（2015）、日本化学会杰出讲座奖（2018）等奖励。目前担任Journal of Materials Science期刊编辑、中国化学会青年化学工作者委员会副主任。