通訊作者：龍冉、熊宇杰

通訊單位：中國科學技術大學

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。為了實現這一宏偉目標，建立月球生命支持系統是關鍵一步。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，還增加了發射成本。原位資源利用（ISRU）策略應運而生，旨在利用月球上的自然資源，如太陽能、水冰和月壤，來生產太空探索所需的產品和服務。月球上豐富的月壤和可能存在的水冰，使得利用太陽能驅動的水電解成為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，存在電導率差和缺乏催化活性位點的問題，導致水分解的過電位較高，限制了其實際應用。因此，開發能夠提高這些礦物催化性能的方法，對于實現月球資源的有效利用至關重要。

近日，中國科學技術大學熊宇杰教授、龍冉教授等在ACS Materials Letters期刊發表題為“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成非晶態基質，顯著提高了其作為水電解催化劑的性能。實驗結果表明，經過處理的非晶態礦物不僅大幅降低了過電位，還展現出良好的穩定性（超過150小時），這歸功于增強的電荷傳輸動力學和內在活性的提升。進一步地，我們利用燒結后的月球土壤模擬物組裝了太陽能驅動的水電解堆，并成功實現了氫氣和氧氣的持續生產，證明了該系統在太空環境中的實際應用潛力。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控礦物的晶體結構和電子配置，為未來月球基地的可持續發展提供了切實可行的技術路徑。

1. 月球土壤模擬物的氫氣進化反應性能

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（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。實驗結果表明，月球土壤模擬物在0.5 M H?SO?溶液中的HER性能優于玻璃碳，其中SC-071D模擬物的過電位最低（712.5 mV@10 mA cm?2）。進一步的實驗發現，輝石在這些礦物中表現出最佳的催化活性（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，不適合實際應用，因此需要開發新的方法來優化這些礦物，提高其電荷傳輸動力學和催化活性位點。

2. 焦耳加熱法燒結礦物

圖2詳細介紹了利用超快速焦耳加熱法燒結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，以及焦耳加熱系統的光學圖像。圖2d展示了輝石和不同燒結溫度下輝石（augite-JX）的XRD圖譜，表明隨著燒結溫度的升高，輝石的結晶度顯著降低，當溫度達到2000°C時，輝石完全轉變為非晶態。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的非晶態結構。圖2f展示了輝石-J2000的EDS元素分布圖，表明元素分布均勻，與燒結前的輝石相似。這些結果表明，焦耳加熱法能夠將輝石轉變為非晶態均勻基質，且元素分布均勻，這有助于提高其催化性能。

3. 燒結礦物的電化學性能

圖3評估了不同溫度下燒結的輝石的電化學HER性能。圖3a和3b展示了輝石-J2000的高分辨率XPS譜圖，表明經過超快速焦耳加熱處理后，鈦和鐵的化學環境發生了變化，出現了新的化學鍵，這可能促進了其電化學性能。圖3c和3d展示了輝石和不同燒結溫度下輝石的LSV極化曲線和相應的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斜率最小（106.8 mV dec?1），表明HER通過Volmer-Heyrovsky機制進行，電化學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，表明燒結樣品具有更低的電荷傳輸電阻和更快的氫氣進化動力學。此外，通過測量循環伏安法中的電容電流，估算了輝石和輝石-J2000的電化學活性表面積（ECSA），結果表明輝石-J2000的ECSA大于輝石，進一步證實了焦耳加熱處理后內在HER活性的增強。圖3g展示了經過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電流密度下的穩定性測試，表明該催化劑在150小時的恒定電流穩定性測試中表現出良好的性能。

4. 太陽能驅動的水電解系統

圖4展示了利用焦耳加熱法燒結的CE-5月球土壤模擬物作為催化劑的太陽能驅動水電解系統。圖4a為水電解系統的示意圖，展示了系統的各個組成部分，包括端板、電流收集器、流場、陰極、密封墊圈、質子交換膜和陽極。圖4b為實際的太陽能驅動水電解系統的照片，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系統的穩定氫氣和氧氣生產演示，系統在約5.18 V的電壓和約1.08 A的電流下實現了穩定的氫氣（約7.54 mL/min）和氧氣（約3.77 mL/min）生產。這一結果表明，該系統能夠充分利用包括豐富的太陽能和月壤在內的地外資源，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新策略，以實現月球上可持續的燃料和氧氣供應。研究團隊成功識別了輝石作為氫氣進化反應（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構和電子構型進行調控。得益于增強的內在活性和電荷傳輸動力學，所獲得的非晶態礦物在10 mA cm?2的電流密度下展現出顯著改善的HER性能，過電位僅為389.0 mV，并具有超過150小時的出色穩定性。此外，研究還組裝了由光伏電池驅動的電解槽堆，使用燒結后的CE-5月球土壤模擬物作為催化劑，實現了穩定的氫氣和氧氣生產。這一成果不僅證實了焦耳加熱方法在優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建設提供了有力的技術支持。