应用成果

通讯作者：龙冉、熊宇杰

通讯单位：中国科学技术大学

DOI：10.1021/acsmaterialslett.4c02448

人类对太空殖民的憧憬由来已久，月球作为探索宇宙的跳板，其重要性不言而喻。为了实现这一宏伟目标，建立月球生命支持系统是关键一步。然而，目前的太空探索活动高度依赖地球提供的资源，尤其是燃料和氧气，这不仅限制了有效载荷，还增加了发射成本。原位资源利用（ISRU）策略应运而生，旨在利用月球上的自然资源，如太阳能、水冰和月壤，来生产太空探索所需的产品和服务。月球上丰富的月壤和可能存在的水冰，使得利用太阳能驱动的水电解成为ISRU的重要组成部分。然而，月球土壤中的硅酸盐矿物作为水电解催化剂时，存在电导率差和缺乏催化活性位点的问题，导致水分解的过电位较高，限制了其实际应用。因此，开发能够提高这些矿物催化性能的方法，对于实现月球资源的有效利用至关重要。

近日，中国科学技术大学熊宇杰教授、龙冉教授等在ACS Materials Letters期刊发表题为“Ultrafast Joule Heating Processing of Lunar Soil Minerals for Water Electrolysis”的研究论文。该研究采用焦耳加热的方法，通过在约2000°C的高温下将月球土壤矿物烧结成非晶态基质，显著提高了其作为水电解催化剂的性能。实验结果表明，经过处理的非晶态矿物不仅大幅降低了过电位，还展现出良好的稳定性（超过150小时），这归功于增强的电荷传输动力学和内在活性的提升。进一步地，我们利用烧结后的月球土壤模拟物组装了太阳能驱动的水电解堆，并成功实现了氢气和氧气的持续生产，证明了该系统在太空环境中的实际应用潜力。本研究不仅为月球土壤的原位资源利用提供了新的视角，还通过超快速焦耳加热方法调控矿物的晶体结构和电子配置，为未来月球基地的可持续发展提供了切实可行的技术路径。

1. 月球土壤模拟物的氢气进化反应性能

图1展示了月球土壤模拟物及其主要矿物成分的氢气进化反应（HER）性能。图1a和1b分别展示了SC-071D、SC-080和CE-5月球土壤模拟物的照片和XRD图谱。这些模拟物的成分和粒度分布与阿波罗样本相匹配，其中SC-071D模拟月球平原的月壤，而SC-080主要模拟月球高原土壤。图1c和1d展示了月球土壤模拟物及其包含的矿物成分的LSV曲线。实验结果表明，月球土壤模拟物在0.5 M H₂SO₄溶液中的HER性能优于玻璃碳，其中SC-071D模拟物的过电位最低（712.5 mV@10 mA cm⁻²）。进一步的实验发现，辉石在这些矿物中表现出最佳的催化活性（641.5 mV@10 mA cm⁻²）。图1e至1g分别展示了辉石的XRD图谱、HRTEM图像和EDS元素分布图，表明辉石具有良好的结晶性，且元素分布均匀。尽管辉石能够促进HER，但其过电位仍然较高，不适合实际应用，因此需要开发新的方法来优化这些矿物，提高其电荷传输动力学和催化活性位点。

2. 焦耳加热法烧结矿物

图2详细介绍了利用超快速焦耳加热法烧结月球土壤基矿物的过程。图2a展示了焦耳加热法的示意图，该方法利用毫秒级电流脉冲实现快速加热和淬火。图2b和2c展示了焦耳加热过程中的温度、电流和电压变化，以及焦耳加热系统的光学图像。图2d展示了辉石和不同烧结温度下辉石（augite-JX）的XRD图谱，表明随着烧结温度的升高，辉石的结晶度显著降低，当温度达到2000°C时，辉石完全转变为非晶态。图2e的HRTEM图像和快速傅里叶变换（FFT）图案进一步证实了辉石-J2000的非晶态结构。图2f展示了辉石-J2000的EDS元素分布图，表明元素分布均匀，与烧结前的辉石相似。这些结果表明，焦耳加热法能够将辉石转变为非晶态均匀基质，且元素分布均匀，这有助于提高其催化性能。

3. 烧结矿物的电化学性能

图3评估了不同温度下烧结的辉石的电化学HER性能。图3a和3b展示了辉石-J2000的高分辨率XPS谱图，表明经过超快速焦耳加热处理后，钛和铁的化学环境发生了变化，出现了新的化学键，这可能促进了其电化学性能。图3c和3d展示了辉石和不同烧结温度下辉石的LSV极化曲线和相应的Tafel图，表明辉石-J2000在10 mA cm⁻²的电流密度下具有最低的过电位（389.0 mV），且Tafel斜率最小（106.8 mV dec⁻¹），表明HER通过Volmer-Heyrovsky机制进行，电化学脱附过程为速率限制步骤。图3e比较了不同样品在10 mA cm⁻²电流密度下的过电位和Tafel斜率，进一步证实了辉石-J2000的优越性能。图3f的Nyquist图表明，辉石-J2000具有最小的半圆半径，表明烧结样品具有更低的电荷传输电阻和更快的氢气进化动力学。此外，通过测量循环伏安法中的电容电流，估算了辉石和辉石-J2000的电化学活性表面积（ECSA），结果表明辉石-J2000的ECSA大于辉石，进一步证实了焦耳加热处理后内在HER活性的增强。图3g展示了经过2000°C焦耳加热冲击后的月球土壤模拟物的LSV极化曲线，图3h展示了CE-5月球土壤模拟物-J2000在10 mA cm⁻²电流密度下的稳定性测试，表明该催化剂在150小时的恒定电流稳定性测试中表现出良好的性能。

4. 太阳能驱动的水电解系统

图4展示了利用焦耳加热法烧结的CE-5月球土壤模拟物作为催化剂的太阳能驱动水电解系统。图4a为水电解系统的示意图，展示了系统的各个组成部分，包括端板、电流收集器、流场、阴极、密封垫圈、质子交换膜和阳极。图4b为实际的太阳能驱动水电解系统的照片，使用CE-5月球土壤模拟物-J2000作为催化剂。图4c展示了太阳能电池和水电解堆的J-V行为，其中太阳能电池的J-V曲线（蓝线）在68 mW cm⁻²的光照强度下测量，橙色点表示太阳能电池的J-V曲线与水电解堆的LSV曲线（青线）的交点，即工作点。图4d展示了由光伏电池供电的电化学系统的稳定氢气和氧气生产演示，系统在约5.18 V的电压和约1.08 A的电流下实现了稳定的氢气（约7.54 mL/min）和氧气（约3.77 mL/min）生产。这一结果表明，该系统能够充分利用包括丰富的太阳能和月壤在内的地外资源，展示了ISRU的吸引力。

总之，本研究提出了一种利用月球土壤作为水电解电催化剂的创新策略，以实现月球上可持续的燃料和氧气供应。研究团队成功识别了辉石作为氢气进化反应（HER）的活性组分，并采用超快速焦耳加热方法对矿物的晶体结构和电子构型进行调控。得益于增强的内在活性和电荷传输动力学，所获得的非晶态矿物在10 mA cm⁻²的电流密度下展现出显著改善的HER性能，过电位仅为389.0 mV，并具有超过150小时的出色稳定性。此外，研究还组装了由光伏电池驱动的电解槽堆，使用烧结后的CE-5月球土壤模拟物作为催化剂，实现了稳定的氢气和氧气生产。这一成果不仅证实了焦耳加热方法在优化月球土壤催化性能方面的可行性，而且为月球土壤的原位资源利用（ISRU）提供了宝贵的见解，为未来月球基地的能源自给和生命支持系统建设提供了有力的技术支持。