在月球上的长期生存将是载人深空探索长征的第一个里程碑。随着载人深空探测的不断深入，研制月球生命保障系统具有重要的技术意义和科学意义。南京大学邹志刚院士、周勇教授，中国科学技术大学熊宇杰教授等人研究表明，从结构和成分分析来看，嫦娥五号月球土壤(CE-5)样品具有在月球上实现太阳能转化的潜力，即地外光合成催化剂。通过评价嫦娥五号月球土壤样品作为光伏驱动电催化剂、光催化剂和光热催化剂的性能，利用太阳能、水和月球土壤可以实现全解水和二氧化碳转化，并为月球生命提供一系列的目标产物，包括O2、H2、CH4和CH3OH。因此，作者提出了一种在月球上可能实现的外星光合作用途径，这将有助于人类实现“能源零消耗”的外星生命保障系统。相关工作以《Extraterrestrial photosynthesis by Chang′E-5 lunar soil》为题在《Joule》上发表论文。首先对CE-5样品进行形态表征，所得TEM图像如图1A-1C所示。可以观察到玻璃相、单晶片和多孔材料。应用基于机器学习的分析方法分析CE-5样品的XRD数据(图1D)，从而有可能预测地外光合作用的潜在催化活性成分。值得注意的是，CE-5样品的粉末XRD (PXRD)谱图不同于阿波罗-12样品的PXRD谱图。相比较而言，嫦娥五号带回的玄武岩形成年龄为20.30±0.04亿年，其含有铁、镁基成分，如正辉石、辉石和辉石，而缺乏硅、铝基成分。对3个不同批次的CE-5样品进行XRD分析，结果表明样品成分相似。其他表征技术也被用于检测元素结构，共同证实了富含铁、镁的玄武岩的存在。在CE-5样品上应用了一系列太阳能基催化技术。首次研究了三电极结构的光伏驱动电催化(PV-EC)技术。此时，CE-5作为阳极析氧反应(OER)电催化剂和阴极析氢反应(HER)电催化剂。如图2A所示，使用光伏发电，太阳能制氢效率可达1%。此外，还利用CE-5作为光催化剂，在UV-vis照射下评价水介质条件下CO2的还原性能。如图2B所示，CO产率高达6.07±1.83 μmmol g-1 h-1，CH4产率达到0.20±0.12 μmmol g-1 h-1。CO选择性为96.8%。进一步研究了CE-5样品在接近月球环境温度下作为光热CO2加氢催化剂的作用。如图2C所示，产物主要由甲醇和甲烷组成，分别可作为有机合成的基础和燃料添加剂。甲醇和甲烷的生产速率可达~22.9和~15.2 μmmol g-1 h-1。甲醇选择性达到了~60%。基于上述不同太阳能技术的催化性能，本文提出了一种综合太阳能转换途径，即地外光合作用。在月球上，极端的环境温度使得二氧化碳可以通过凝结直接从“空气”中分离出来。以嫦娥5号采样的月球土壤为例，将其作为电解水催化剂与光热CO2加氢催化剂，从而可获得O2、H2、CH4和CH3OH。作者认为CE-5的地外光合作用过程的分析可分为3个步骤：(1)鉴定成分，尝试使用CE-5作为地外光合作用催化剂；(2)识别活性成分，分析各成分的效率；(3)尝试分解土壤，提取、纯化最有效成分，用于高效地催化地外光合作用。Extraterrestrial photosynthesis by Chang′E-5 lunar soil，Joule，2022.https://doi.org/10.1016/j.joule.2022.04.011
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