通訊作者：龍冉、熊宇杰

通訊單位：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)

DOI：10.1021/acsmaterialslett.4c02448

人類對太空殖民的憧憬由來已久，月球作為探索宇宙的跳板，其重要性不言而喻。為了實現(xiàn)這一宏偉目標(biāo)，建立月球生命支持系統(tǒng)是關(guān)鍵一步。然而，目前的太空探索活動高度依賴地球提供的資源，尤其是燃料和氧氣，這不僅限制了有效載荷，還增加了發(fā)射成本。原位資源利用（ISRU）策略應(yīng)運而生，旨在利用月球上的自然資源，如太陽能、水冰和月壤，來生產(chǎn)太空探索所需的產(chǎn)品和服務(wù)。月球上豐富的月壤和可能存在的水冰，使得利用太陽能驅(qū)動的水電解成為ISRU的重要組成部分。然而，月球土壤中的硅酸鹽礦物作為水電解催化劑時，存在電導(dǎo)率差和缺乏催化活性位點的問題，導(dǎo)致水分解的過電位較高，限制了其實際應(yīng)用。因此，開發(fā)能夠提高這些礦物催化性能的方法，對于實現(xiàn)月球資源的有效利用至關(guān)重要。

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授、龍冉教授等在ACS Materials Letters期刊發(fā)表題為“Ultrafast Joule Heating Processing of Lunar Soil Minerals for Water Electrolysis”的研究論文。該研究采用焦耳加熱的方法，通過在約2000°C的高溫下將月球土壤礦物燒結(jié)成非晶態(tài)基質(zhì)，顯著提高了其作為水電解催化劑的性能。實驗結(jié)果表明，經(jīng)過處理的非晶態(tài)礦物不僅大幅降低了過電位，還展現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性（超過150小時），這歸功于增強的電荷傳輸動力學(xué)和內(nèi)在活性的提升。進一步地，我們利用燒結(jié)后的月球土壤模擬物組裝了太陽能驅(qū)動的水電解堆，并成功實現(xiàn)了氫氣和氧氣的持續(xù)生產(chǎn)，證明了該系統(tǒng)在太空環(huán)境中的實際應(yīng)用潛力。本研究不僅為月球土壤的原位資源利用提供了新的視角，還通過超快速焦耳加熱方法調(diào)控礦物的晶體結(jié)構(gòu)和電子配置，為未來月球基地的可持續(xù)發(fā)展提供了切實可行的技術(shù)路徑。

1. 月球土壤模擬物的氫氣進化反應(yīng)性能

圖1展示了月球土壤模擬物及其主要礦物成分的氫氣進化反應(yīng)（HER）性能。圖1a和1b分別展示了SC-071D、SC-080和CE-5月球土壤模擬物的照片和XRD圖譜。這些模擬物的成分和粒度分布與阿波羅樣本相匹配，其中SC-071D模擬月球平原的月壤，而SC-080主要模擬月球高原土壤。圖1c和1d展示了月球土壤模擬物及其包含的礦物成分的LSV曲線。實驗結(jié)果表明，月球土壤模擬物在0.5 M H?SO?溶液中的HER性能優(yōu)于玻璃碳，其中SC-071D模擬物的過電位最低（712.5 mV@10 mA cm?2）。進一步的實驗發(fā)現(xiàn)，輝石在這些礦物中表現(xiàn)出最佳的催化活性（641.5 mV@10 mA cm?2）。圖1e至1g分別展示了輝石的XRD圖譜、HRTEM圖像和EDS元素分布圖，表明輝石具有良好的結(jié)晶性，且元素分布均勻。盡管輝石能夠促進HER，但其過電位仍然較高，不適合實際應(yīng)用，因此需要開發(fā)新的方法來優(yōu)化這些礦物，提高其電荷傳輸動力學(xué)和催化活性位點。

2. 焦耳加熱法燒結(jié)礦物

圖2詳細(xì)介紹了利用超快速焦耳加熱法燒結(jié)月球土壤基礦物的過程。圖2a展示了焦耳加熱法的示意圖，該方法利用毫秒級電流脈沖實現(xiàn)快速加熱和淬火。圖2b和2c展示了焦耳加熱過程中的溫度、電流和電壓變化，以及焦耳加熱系統(tǒng)的光學(xué)圖像。圖2d展示了輝石和不同燒結(jié)溫度下輝石（augite-JX）的XRD圖譜，表明隨著燒結(jié)溫度的升高，輝石的結(jié)晶度顯著降低，當(dāng)溫度達(dá)到2000°C時，輝石完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)。圖2e的HRTEM圖像和快速傅里葉變換（FFT）圖案進一步證實了輝石-J2000的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。圖2f展示了輝石-J2000的EDS元素分布圖，表明元素分布均勻，與燒結(jié)前的輝石相似。這些結(jié)果表明，焦耳加熱法能夠?qū)⑤x石轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷B(tài)均勻基質(zhì)，且元素分布均勻，這有助于提高其催化性能。

3. 燒結(jié)礦物的電化學(xué)性能

圖3評估了不同溫度下燒結(jié)的輝石的電化學(xué)HER性能。圖3a和3b展示了輝石-J2000的高分辨率XPS譜圖，表明經(jīng)過超快速焦耳加熱處理后，鈦和鐵的化學(xué)環(huán)境發(fā)生了變化，出現(xiàn)了新的化學(xué)鍵，這可能促進了其電化學(xué)性能。圖3c和3d展示了輝石和不同燒結(jié)溫度下輝石的LSV極化曲線和相應(yīng)的Tafel圖，表明輝石-J2000在10 mA cm?2的電流密度下具有最低的過電位（389.0 mV），且Tafel斜率最?。?06.8 mV dec?1），表明HER通過Volmer-Heyrovsky機制進行，電化學(xué)脫附過程為速率限制步驟。圖3e比較了不同樣品在10 mA cm?2電流密度下的過電位和Tafel斜率，進一步證實了輝石-J2000的優(yōu)越性能。圖3f的Nyquist圖表明，輝石-J2000具有最小的半圓半徑，表明燒結(jié)樣品具有更低的電荷傳輸電阻和更快的氫氣進化動力學(xué)。此外，通過測量循環(huán)伏安法中的電容電流，估算了輝石和輝石-J2000的電化學(xué)活性表面積（ECSA），結(jié)果表明輝石-J2000的ECSA大于輝石，進一步證實了焦耳加熱處理后內(nèi)在HER活性的增強。圖3g展示了經(jīng)過2000°C焦耳加熱沖擊后的月球土壤模擬物的LSV極化曲線，圖3h展示了CE-5月球土壤模擬物-J2000在10 mA cm?2電流密度下的穩(wěn)定性測試，表明該催化劑在150小時的恒定電流穩(wěn)定性測試中表現(xiàn)出良好的性能。

4. 太陽能驅(qū)動的水電解系統(tǒng)

圖4展示了利用焦耳加熱法燒結(jié)的CE-5月球土壤模擬物作為催化劑的太陽能驅(qū)動水電解系統(tǒng)。圖4a為水電解系統(tǒng)的示意圖，展示了系統(tǒng)的各個組成部分，包括端板、電流收集器、流場、陰極、密封墊圈、質(zhì)子交換膜和陽極。圖4b為實際的太陽能驅(qū)動水電解系統(tǒng)的照片，使用CE-5月球土壤模擬物-J2000作為催化劑。圖4c展示了太陽能電池和水電解堆的J-V行為，其中太陽能電池的J-V曲線（藍(lán)線）在68 mW cm?2的光照強度下測量，橙色點表示太陽能電池的J-V曲線與水電解堆的LSV曲線（青線）的交點，即工作點。圖4d展示了由光伏電池供電的電化學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定氫氣和氧氣生產(chǎn)演示，系統(tǒng)在約5.18 V的電壓和約1.08 A的電流下實現(xiàn)了穩(wěn)定的氫氣（約7.54 mL/min）和氧氣（約3.77 mL/min）生產(chǎn)。這一結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠充分利用包括豐富的太陽能和月壤在內(nèi)的地外資源，展示了ISRU的吸引力。

總之，本研究提出了一種利用月球土壤作為水電解電催化劑的創(chuàng)新策略，以實現(xiàn)月球上可持續(xù)的燃料和氧氣供應(yīng)。研究團隊成功識別了輝石作為氫氣進化反應(yīng)（HER）的活性組分，并采用超快速焦耳加熱方法對礦物的晶體結(jié)構(gòu)和電子構(gòu)型進行調(diào)控。得益于增強的內(nèi)在活性和電荷傳輸動力學(xué)，所獲得的非晶態(tài)礦物在10 mA cm?2的電流密度下展現(xiàn)出顯著改善的HER性能，過電位僅為389.0 mV，并具有超過150小時的出色穩(wěn)定性。此外，研究還組裝了由光伏電池驅(qū)動的電解槽堆，使用燒結(jié)后的CE-5月球土壤模擬物作為催化劑，實現(xiàn)了穩(wěn)定的氫氣和氧氣生產(chǎn)。這一成果不僅證實了焦耳加熱方法在優(yōu)化月球土壤催化性能方面的可行性，而且為月球土壤的原位資源利用（ISRU）提供了寶貴的見解，為未來月球基地的能源自給和生命支持系統(tǒng)建設(shè)提供了有力的技術(shù)支持。