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机器化学家用火星陨石催化产氧气

2023.11.14

原文地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2023/11/512269.shtm

火星移民，是人类的梦想。但首先要解决的是火星大气中氧气缺乏的难题。

近日，中国科学技术大学（以下简称中国科大）罗毅教授、江俊教授、尚伟伟副教授团队与中国深空探测实验室张哲研究员等合作，采用前期研制的机器化学家“小来”平台，利用火星陨石，制备出实用的产氧电催化剂，“生产”出氧气。11月14日，研究成果发表在《自然-合成》期刊上。

“这是使用火星原料制备出的第一个产氧催化剂。此次研究不仅验证了人工智能技术创制新材料的超强能力，还为向火星移民、星际探索等迈出了非常重要的一步。”论文共同通讯作者罗毅向《中国科学报》介绍。

机器化学家探索星际资源的原位利用示意图。中国科大供图

“就地取材”制出催化剂

水、氧气是人类赖以生存的重要物质基础。科学发现，火星上存在水资源，但没有氧气。

在地球上，通过电催化析氧反应，以水为原料，科研人员成功制备出了氧气。那么，在火星上是否也可以实现这一目标？但目前人类无法在火星环境下长期生存，也就无法“就地取材”在火星上制备产氧催化剂。

人工智能机器人提供了一个完美的解决方案。

2022年9月，中国科大机器化学家“小来”系统接到一个特殊任务——用火星陨石中的一些成分制备出催化剂。

“实验中的陨石都是真正来自于火星。”论文第一作者、中国科大副研究员朱青介绍，火星陨石中有很多组分，每个组分里包含各自的金属，如铁、锰、镍、钙、镁、铝等元素，这些金属元素都是合成催化剂的必要成分。

“小来”首先利用自身装载的激光诱导击穿光谱设备，对火星陨石进行了详细的矿物分析，发现其中有很多种金属适合作产氧催化剂的有效成分。

紧接着，通过强酸浸渍把矿物全部溶解，提炼出里面的金属组分；然后，加碱沉淀得到一个含多金属的氢氧化物；最后，以氢氧化物作为阳极催化剂，参与火星卤水的电解反应，从而制备出氧气。

论文共同通讯作者江俊表示，“该工作成功展示了在地外星系上因地制宜创制化学品的智能化全流程，为未来地外文明探索提供了新的技术手段，对我国在未来月球、火星空间站上实现星际资源的原位综合利用建立了独特的方案。”

《自然-合成》一位审稿专家高度评价此次工作，称“本文报道了通过机器化学家系统在火星上合成产氧催化剂的令人兴奋的方法”。

2000年变6周

火星陨石中的金属成分组合形成催化剂，大概可以组成300多万种配方。如何在这么大的基数中快速找到最优配比？

“小来”展现出超越人类科学家的理论与实践能力：利用它的“计算大脑”自主创建了一批理论构象，然后开始做大规模的理论计算。于此同时，“小来”通过其精准的自动化操作能力，快速高效地执行实验任务。

“理论模拟可以判断出大致的优化方向，机器实验则能提供精准的实测数据。再将理论大数据与实验小数据对齐，建立起一个理实交融机器学习模型。”朱青说，该智能模型能更好地描绘整个高维空间中的化学反应走势，而依靠人类传统的经验是无法实现的。

也就是说，这个智能模型有“预测全局”的能力，可以在数百万个配方中“推荐”出性能最好的配方。根据此配方，“小来”再做一次实验验证即可。

最终，经过6周243次实验，“小来”成功利用5种火星陨石制备出一款实用的产氧催化剂。 “如果采用传统的人类化学家通过‘试错’的模式进行研究，这个工作可能需要2000年才能完成。” 朱青说。

江俊表示，“这种理实交融的研究范式极大地加速了新材料发现过程，能够从数百万种可能配方中迅速识别最佳组合。”

原位综合利用星际资源

那么，用火星陨石制备的催化剂与地球上的催化剂有什么不一样？为何不直接从地球上带过去？

“这里强调的是一种原位资源利用策略。在未来的火星移民、星际探索中，不太可能永远都把地球上的物资运送过去。一是运输成本太高，二是地外环境下的化学反应情况跟地球上也不一样，并且催化剂材料自身也存在使用寿命。”江俊解释说，最好的方法就是“就地取材”，例如，机器人在无人监督的前提下，利用未知的物质自主发现并且创造出有用的化学品。

什么是原位资源利用？

随着人类深空探测活动日益活跃，传统运载方式难以支撑未来空间任务的发展，需要不断降低对地球物质能源补给的依赖，原位资源利用（ISRU）技术成为重要手段。

江俊介绍，地外原位资源利用指的是在星际探索的过程中，因地制宜采集当地的物质资源，进行物理化学方面的改造，使其变成有用的化学品、材料、设施。

事实上，在此次工作之前，罗毅、江俊等人与其他团队合作，发现“嫦娥五号”取回的月壤可以进行原位资源利用，展示了机器人实现从催化剂制备到地外燃料和氧气生产的全过程无人化操作。

在此次研究中，研究团队还最大程度模拟了火星环境下的催化效果：在300立方米的空间站内，屋顶铺满火星陨石催化剂，再利用太阳光发电驱动电解水反应。15个小时后，室内的氧气浓度即可达到人类生存所需的氧气浓度指标。

“未来，人类可以在火星上建立一个个产氧小工场，在工场屋顶上铺满‘小来’制备的产氧催化剂，经过反应，就能得到氧气。” 江俊憧憬着。

“下一步，我们计划为机器人配备更多的传感器和光谱设备，使其拥有探测感知和预测化学物质微观演化的能力，以更好地适应不同化学场景。” 江俊说，此外，他们还计划建立一个有数百个机器人和数千个工作站的大型机器化学家实验室，这不仅能覆盖更广泛的科学研究领域，让更多科研人员参与智能化学相关的研究，还能产生和积累高质量、高通量的科学数据。后者对于进一步帮助建立跨学科、跨领域的通用科学智能模型非常重要。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-023-00424-1

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