一、研究背景

太空殖民一直是人类长久以来的梦想，月球将成为人类探索之旅的垫脚石。为了实现这一异想天开的梦想，最重要的先决条件之一是在月球上建立生命维持系统。然而，目前地外生存在很大程度上依赖于地球资源，包括满足人类能量和呼吸需要的燃料和氧气，这占用了航天器有限的有效载荷，增加了发射成本。就地资源利用（ISRU）是指利用地外地点的当地自然资源（如太阳辐射、水冰和行星风化层）为空间探索生产产品和服务。考虑到月球上丰富的风化层和可能存在的水冰，利用月球土壤作为电催化剂的太阳能水电解作为ISRU的重要组成部分引起了人们的强烈兴趣。

然而，高效催化剂的可及性是地外水电解的主要障碍。与地球上成熟的电催化剂相比，月球土壤或其组分（主要是硅酸盐矿物）由于导电性差和缺乏催化活性位点，通常存在较高的水分解过电位。最近，超快焦耳热冲击由于其独特的调节晶体和电子结构的能力而成为一种很有前途的方法，以提高催化剂的电荷转移动力学和固有活性，如单原子催化剂，金属陶瓷，高熵合金和金属玻璃纳米颗粒。在这种方法中，负载在导电基板上的样品在真空或惰性气氛中经受电流脉冲，通过电能（Q = I2Rt）进行超高速加热，并快速冷却到室温。特别是，简单的装置和瞬态加热特性使该方法适用于极端空间环境（例如，微重力，温度范围从- 171°C到140°C，月球上的高真空）的自动化操作。

在这方面，可以设想筛选月球土壤中的有效成分，并使用焦耳加热设备方法处理矿物质，以实现有效的水分解。在这里，我们评估了月球土壤模拟物和已知矿物成分（包括斜长石、奥辉石、橄榄石和钛铁矿）的析氢反应（HER）性能，其中奥辉石在0.5 M H2SO4中表现出相对较好的析氢反应活性，过电位为641.5 mV，电流密度为10 mA cm-2。此外，我们使用焦耳加热方法在2000°C下在数秒内烧结成非晶态基体，该材料表现出了显著提高的HER性能（在10 mA cm-2下，HER过电位为389.0 mV），并且由于更好的电荷传输动力学和固有活性而具有良好的稳定性。为了避免繁琐的矿物分离，我们还直接烧结月球土壤模拟物，以提供高效稳定的催化剂，保持低过电位150 h。此外，我们以烧结的嫦娥五号月球土壤模拟物（简称CE-5）为催化剂，组装了电解槽堆，用于分解纯水，并使用光伏电池收集太阳能并为电解模块供电。该系统实现了氢气（~ 7.54 mL/min）和氧气（~ 3.77 mL/min）的持续生产，证明了ISRU在外太空的高实用性。

二、摘要

最大限度地利用地外资源，包括利用月球土壤作为催化剂的太阳能水电解，是实现月球探测可持续燃料和氧气供应的一个有前途的战略。然而，由于导电性差和缺乏催化位点，这些基于月球土壤的硅酸盐矿物的水分解活性不理想。在这里，我们报告了使用简单的焦耳加热方法在~ 2000°C下将矿物烧结成无序基质。由于电荷传输动力学和本构活性的增强，制备的非晶矿物可以显著降低过电位，并表现出良好的稳定性（>150 h）。我们进一步展示了使用烧结月球土壤模拟物作为催化剂的太阳能驱动水电解堆，显示了该系统的实用性。本研究利用超快焦耳加热方法，通过工程晶体结构和电子配置，为月球土壤的原位资源利用提供了新的见解。

三、结论

总之，月球土壤作为水分解的电催化剂是在月球上提供可持续燃料和氧气供应的一种很有前途的策略。在这项工作中，我们确定了HER的活性成分（即奥辉石），并提供了一种有效的策略，通过超快焦耳加热设备方法来调整矿物的晶体结构和电子构型。在10 mA cm-2的电流密度下，获得的非晶矿物的过电位达到389.0 mV，稳定性（>150 h）。此外，还组装了一个由光伏电池供电的电解槽堆，以烧结CE-5模拟月球土壤为催化剂，实现了稳定的氢和氧生产。这项工作证明了焦耳加热方法优化月球土壤催化性能的可行性，并为行星风化层的ISRU提供了新的见解。

图1.(a) SC-071D、SC-080和CE-5月球土壤模拟物的照片。(b)月球土壤模拟物的XRD图谱。（c - d）模拟月球土壤(c)和含矿物组分(d)的LSV曲线。所有电位均未进行iR补偿。（e - g）奥辉石的XRD谱图(e)、HRTEM图(f)和EDS元素图(g)。

图2.(a)用超快焦耳加热法烧结月球土基矿物的示意图。(b)过程中的温度、施加的电流和电压。(c)焦耳加热系统的光学图像。(d)奥辉石和奥辉石jx的XRD谱图。(e) augite-J2000的HRTEM图像。插入式(e)显示了快速傅里叶变换模式。(f)奥吉特j2000对Ca、Mg、Fe、Ti、Al、Si和O的EDS元素映射图。