Joule：天降催化剂！
催化计
2022-05-17
由于目前深空探测技术的巨大发展，发展能够支撑进行长期太空探索的太空生命支持系统具有重大技术和科学意义。从月球原地汲取资源进行利用为人类进行月球居住和旅游所需的生命支持系统提供了广阔材料空间。有鉴于此，南京大学邹志刚、周勇、中国科学技术大学熊宇杰等通过分析嫦娥5号获取的月球土壤进行组分和结构分析，展示了月壤能够用于宇宙条件进行光合作用的催化剂。考察了月壤样品在光伏驱动的电催化反应性能、光催化性能、光热催化性能，验证通过月壤样品作为催化剂，通过太阳能和水进行全分解水、将呼吸产生的CO2催化转化，产生一系列支持月球生存的分子，包括O2、H2、CH4、CH3OH。作者提出了一种宇宙光合体系，有助于在外太空实现“零能量消耗”体系。通过XRD对样品的形貌和组分进行分析，发现其中含有丰富的Fe、Mg物种（普通辉石、斜方辉石）；基于Si、Al物种（硅石、斜长石）。此外，通过XPS、SEM、TEM表征，验证月壤是Fe和Mg丰度较高的玄武岩。其中含有的光催化活性物种包括Ti2nO2n-1、TiO2、FeTiO3、FeSx，磁黄铁矿（Fe1-xS）作为电催化物种，(Mg, Fe)SiO3、(Ca, Na)(Mg, Fe, Al, Ti)(Si, Al)2O6、FeCr2O4、(Mg, Fe)2SiO4作为光催化CO2转化物种；通过PXRD、TEM、BET表面积表征技术发现，月壤表现多孔分子筛结构，因此具有较高的催化活性面积。光伏-电催化分解水。通过5块面积为6.5 cm2的Si太阳能电池（效率15 %）板供电进行电催化分解水，在2.9 V的STH太阳能制氢效率能够达到1 %。验证这种光伏-电催化分解水的可行性。（对比发现，同样条件下，碳纸样品的性能非常差）光催化CO2还原。通过UV-Vis光照射方式对溶液相条件研究光催化CO2还原性能，生成CO的速率达到6.07±1.83 μmol g-1 h-1，生成CH4的速率达到0.20±0.12 μmol g-1 h-1，产物CO的选择性达到96.8 %。CO2加氢催化。在150 ℃模拟月球表面温度条件考察催化CO2加氢性能，发现产物生成CH3OH和CH4，产率分别达到22.9 μmol g-1 h-1和15.2 μmol g-1 h-1，其中甲醇的选择性达到60 %。图2. 月壤样品光催化性能 (A) 光伏供电-电催化分解水 (B) 光催化CO2还原 (C) 光热催化制氢提出外太空光合催化体系。通过以上研究的催化技术结合，提出了光能量转化技术。其中通过月球的极冷温度（-173 ℃）能够分离CO2，随后通过月壤电催化分解水、光催化CO2加氢，从而将呼吸气体转化为O2、H2、CH4、CH3OH。Yingfang Yao et al. Extraterrestrial photosynthesis by Chang’E-5 lunar soil, Joule, 2022, DOI: 10.1016/j.joule.2022.04.011https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00178-7
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