這種技術(shù)能夠在寬溫度范圍下運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)低能耗和高效能量轉(zhuǎn)換。此外，地外人工光合成技術(shù)主要利用人類呼吸的CO2和月球上原位開采的水資源產(chǎn)生氧氣和碳?xì)浠衔铩?shí)現(xiàn)這一目標(biāo)可以極大地提高人類生存的可行性和持久性，同時(shí)具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

作為月球上最豐富的資源之一，采用月壤作為地外人工光合成催化材料，是月球原位資源利用的重要組成部分。與地球上的催化劑相比，月壤或月壤提取成分作為月球上的人工光合成催化劑，可以大大降低航天器的載荷和成本。嫦娥五號(hào)月球樣品為實(shí)現(xiàn)地外人工光合成提供了一個(gè)很好的機(jī)會(huì)。近日，鄒志剛院士、姚穎方教授團(tuán)隊(duì)與香港中文大學(xué)（深圳）、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)合作，詳細(xì)分析嫦娥五號(hào)月壤的元素組成和礦物結(jié)構(gòu)，從光伏電解、光催化和光熱催化三個(gè)方面對(duì)嫦娥五號(hào)月壤的人工光合成性能進(jìn)行了評(píng)估，并基于月壤人工光合成性能提出了可行的月球地外人工光合成策略，為實(shí)現(xiàn)“零能耗”的月球生命保障系統(tǒng)奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。

嫦娥五號(hào)月壤是月球表面非常年輕的玄武巖，這種礦物中富含鐵、鈦等人工光合成中常用的催化劑成分。研究團(tuán)隊(duì)采用機(jī)器學(xué)習(xí)等方法，對(duì)月壤材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次分析，明確嫦娥五號(hào)月壤中主要的晶體成分大約有24種，其中作為人工光合成的良催化劑有鈦鐵礦、氧化鈦、羥基磷灰石、以及多種鐵基化合物等8種。同時(shí)，月壤表面具有豐富的微孔和囊泡結(jié)構(gòu)，這種微納結(jié)構(gòu)進(jìn)一步提高了月壤的催化性能。

研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)而采用月壤作為光伏電解水、光催化水分解、光催化CO2還原、以及光熱催化CO2加氫等反應(yīng)的催化材料，評(píng)估其性能。研究表明，月壤在光伏電解水和光熱催化CO2加氫反應(yīng)中具有較高的性能和選擇性。基于以上分析，研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)月球環(huán)境，提出利用月壤實(shí)現(xiàn)地外人工光合成的可行策略與步驟。即利用月球夜間的極低溫度（-173°C），通過凝結(jié)將二氧化碳從人類呼吸空氣中直接分離。然后嫦娥五號(hào)月壤作為水分解的電催化劑和CO2加氫的光熱催化劑，將呼吸廢氣、月球表面開采的水資源等轉(zhuǎn)化為O2、H2、CH4和CH3OH。這項(xiàng)工作為建立適應(yīng)月球極端環(huán)境的原位資源利用系統(tǒng)提供了潛在方案，并且只需要月球上的太陽能、水和月壤。基于該系統(tǒng)，人類或可實(shí)現(xiàn)“零能耗”的地外生命保障系統(tǒng)，真正支持月球探測(cè)、研究和旅行。

該工作的相關(guān)研究成果以“Extraterrestrial Photosynthesis by Chang’E-5 Lunar Soil”（利用嫦娥五號(hào)月壤實(shí)現(xiàn)地外光合成）為題，發(fā)表在國際權(quán)威期刊《焦耳》（Joule）上（https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011）。南京大學(xué)姚穎方教授、香港中文大學(xué)（深圳）王璐助理教授、朱熹助理教授、涂文廣科研助理教授為論文共同第一作者。中國科技大學(xué)熊宇杰教授、南京大學(xué)周勇教授、鄒志剛院士是論文的共同通訊作者。月球樣品由國家航天局提供（樣品編號(hào)：CE5C0400），該工作得到科技部“變革性技術(shù)關(guān)鍵科學(xué)問題”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、科工局民用航天技術(shù)重點(diǎn)項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃、面上項(xiàng)目等項(xiàng)目資助，以及固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、江蘇省納米技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心等支持。