邹志刚/王璐/姚颖方Joule: 月球原位光热催化技术实现月壤水提取与CO₂资源

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邹志刚/王璐/姚颖方Joule: 月球原位光热催化技术实现月壤水提取与CO₂资源

邃瞳科学云

2025-07-30

导读：本研究提出了一种月球原位光热水提取与利用技术，通过光热加热从模拟月壤（SCL）和真实月壤（CE-5）中提取水，并利用月壤（含钛铁矿活性组分）光热催化H₂O与CO₂协同转化为CO、H₂和O₂。

物质科学

Physical science

2025年7月16日，南京大学邹志刚院士、姚颖方教授和香港中文大学（深圳）理工学院王璐教授合作在Cell Press细胞出版社旗下期刊Joule上发表了题目为“Inherent Lunar Water Enabled Photothermal CO₂ Catalysis”的研究论文。该研究提出了一种月球原位光热水提取与利用技术，通过光热加热从模拟月壤（SCL）和真实月壤（CE-5）中提取水，并利用月壤（含钛铁矿活性组分）光热催化H₂O与CO₂协同转化为CO、H₂和O₂。实验验证了热驱动含氢物质转化为水的可行性，同位素标记证实产物来源，并提出基于月表昼夜温差的CO₂收集策略。该技术为月球资源原位利用提供了高效解决方案，支撑未来地外光合作用路径开发。

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文章亮点

原位光热月球水资源提取与利用技术
集成光热水提取与光热催化CO₂转化
月壤作为催化剂催化H₂O和CO₂生成CO、H₂和O₂

研究背景

水资源的提取与利用对于深空探测具有重要的技术价值和科学意义。月壤中已被证实存在大量含氢物质，这些含氢物质经适当热处理可被提取转化为水。本研究提出了一种原位光热月球水资源提取与利用技术。基于此技术提取的月球水，可利用光热催化技术将CO₂转化为CO、H₂和O₂。这一发现有望被整合到地外光合作用路径中，用以将CO₂和H₂O蒸气转化为关键化学品。

结果与讨论

图1 模拟月壤（SCL）样品的光热水提取及利用分析

鉴于月壤样品的稀缺性，本研究首先选用模拟月壤（SCL）样品评估光热水提取与利用技术的可行性（图1）。通过组分、元素和形貌分析证实模拟月壤与真实月壤具有较好的相似性。热解分析直接验证热驱动含氢物种转化为水的可行性。基于月表极端温度环境，进一步提出构建光热催化体系实现原位水提取与光热催化CO₂转化协同系统的设想，并成功实现月壤作为催化剂光热催化CO₂与提取出来的H₂O转化为CO、H₂和O₂。同位素标记验证了产物来源，并通过不同条件下的可操作性及批次重复性测试展示了该技术的发展应用潜力。

图2 拟活性组分-钛铁矿的光热催化性能与机理分析

针对月壤复杂组分中活性物种识别的挑战，基于前期月壤组分的分析报道，结合光致发光分析，推测钛铁矿可能作为关键的催化活性物种，并对其展开光热催化性能与可能的机理分析（图2）。光热催化活性测试表明，钛铁矿在光热CO₂催化中具有催化活性特征。并通过钛铁矿能带结构分析，提出可能的催化机理：光照下电子从价带跃迁至导带，钛铁矿的能带匹配特性驱动CO₂还原和H₂O氧化，为光热催化过程提供可能的理论基础。

基于前期模拟月壤可行性验证的研究，进一步利用真实月壤开展了原位光热水提取与利用实验。热解分析同样验证了热驱动含氢物种转化为水的可行性。光热催化活性测试证实了原位光热水提取与光热催化CO₂转化协同系统的成功构建，以及展现出良好的批次重复性。并提出利用月表极端温度下易得的干冰作为补充CO₂源的替代方案。同时利用原位红外技术观测到变温过程中月壤中水信号的动态增长与消耗，证明了原位光热水提取与转化的过程。基于上述结果，提出了新的地外光合成资源利用策略：利用夜间极低温分离收集CO₂（干冰），利用日间高环境温度以及光能实现光热提取月壤中的水，利用月壤作为催化剂光热催化H₂O与CO₂协同转化为CO、H₂和O₂。

图3 月壤（CE-5）样品的光热水提取与利用研究及提出的月球原位光热水提取利用技术示意图

结论

本研究提出了一种月球原位光热水提取与利用技术，该技术集成了利用光热加热从月壤中提取水的水提取过程，以及利用月壤为催化剂光热催化H₂O与CO₂协同转化为CO、H₂和O₂的光热催化过程。基于拟活性组分-钛铁矿的构效分析提出了可能反应机理。这项工作表明，光热催化技术可成为高效简捷的月壤水资源开发策略。

作者专访

Cell Press细胞出版社特别邀请论文通讯作者香港中文大学（深圳）王璐教授进行了专访，

就本研究工作的动机与意义，核心挑战与突破，技术独特性，工程化瓶颈以及未来研发方向进行阐述。

CellPress：

您的研究首次实现了从月球土壤中提取水并光热催化转化为氧气、氢气和一氧化碳。请您分享这一课题的灵感来源，以及该技术对未来深空探索的价值所在。

王璐教授：

灵感源于月球资源原位利用的迫切需求。在邹老师带领下，我们团队先前的工作已经发现了月壤自身具有一定的催化特性。同时近期关于月球水资源的研究也取得了重大的进展，因此我们想尝试通过光热技术将水提取过程和催化转化过程集成起来。

CellPress：

本研究使用了模拟嫦娥五号样本进行可行性分析，并提出了以钛铁矿为主的活性物种作为活性催化剂。团队在研究过程中遇到的最大挑战是什么？是如何克服这些挑战的？

王璐教授：

研究过程中确实遇到了各种各样的挑战，举例来说，由于月壤组分的复杂性，对其活性组分的筛选是非常困难的。关于克服这些挑战，可能需要有迎难而上的勇气以及要尝试“大胆假设，小心求证”。

CellPress：

相比传统催化路径（如电解法），团队开发的太阳能驱动光热催化路径有哪些独特优势？

王璐教授：

正如我先前提到的，我们提出的策略将水提取过程和催化转化过程进行了集成，可以一步实现原位光热月球水资源的提取与利用。

CellPress：

月球环境的真空、强辐射和剧烈昼夜温差可能影响技术的落地。要实现该技术在月球基地的实际应用，还需要解决哪些关键技术和工程难题？

王璐教授：

确实是这样的，月球表面的极端环境是十分严峻的问题，这对设备材料的可靠性、能量的高效利用和管理，以及系统的集成度和自动化等方面都提出了很高的要求和考验。

作者介绍

姚颖方

教授

姚颖方，南京大学教授，曾任南京大学昆山创新研究院执行院长，中国空间技术研究院兼职研究员。长期从事碳中和目标下的氢碳双循环相关研究工作。首创“地外人工光合成”原理与方法，首次将嫦娥5号月壤应用在地外人工光合成中，并将人工光合成材料应用于地外原位资源利用技术中。开发了两套地外人工光合成集成装置，实现无源、智能、CO₂高效催化及复合检测等功能集成，并完成地面各项试验验证。以第一作者/通讯作者发表Nature Synth.、Joule、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.、Nat. Sci. Rev.、Energy Environ. Sci.等SCI论文80余篇，参与出版学术专著2部。主持包括“变革性技术关键科学问题”国家重点研发计划等多项国家和省部级科研项目。致力于产学研一体化，推进光催化材料、新能源材料及系统的推广与应用，申请中国发明专利30余项，授权发明专利11项。

王璐

助理教授

王璐，2007年在英国谢菲尔德大学材料系进行本硕连读；2016年获新加坡南洋理工大学化学系理学博士学位；2016年至2020年，在加拿大多伦多大学化学系从事博士后研究。于2020年6月加入香港中文大学（深圳）理工学院，担任助理教授。研究兴趣包括：光热催化、表面化学、热辐射催化等。他在国际主流期刊上发表文章40余篇，其中包括Joule（5篇）、J. Am. Chem. Soc.（3篇）、Angew. Chem. Int. Ed.（5篇）、Adv. Mat.（2篇）、Nat. Commun.（3篇）、Energy Environ. Sci.（1篇）、ACS Nano（1篇）等。连续入选斯坦福大学2022和2023年度“全球前2%顶尖科学家”榜单；入选美国化学会“2024能源与燃料新星科学家”；授权美国发明专利1项，中国发明专利1项，申请中国发明专利4项。

邹志刚

院士

邹志刚，日本东京大学理学博士，南京大学物理学和材料学博士生导师，中国科学院院士，发展中国家科学院院士。教育部“长江学者奖励计划”特聘教授。现任南京大学环境材料与再生能源研究中心主任，江苏省纳米技术重点实验室主任。长期从事新能源材料方面研究，在新一代光催化材料等能源与环境材料的设计理论、核心制备和应用等方面做出了系统性、原创性的成果。在Nature、Phys. Rev. Lett.、Adv. Mater.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Energ. Environ. Sci.等一流国际期刊发表SCI科学论文750余篇，他引39000余次，h因子95。获中国发明专利100余项、美国专利1项、日本专利2项，50余项发明专利已成功进行产业化转化，技术转让费达1亿6千万元。以第一完成人获2014年国家自然科学二等奖，2018年以第一完成人获第46届日内瓦国际发明展金奖及沙特阿拉伯阿卜杜拉国王大学特别奖，2019年获何梁何利基金科学与技术进步奖。