機器化學家用火星隕石催化產氧氣

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火星移民，是人類的夢想。但首先要解決的是火星大氣中氧氣缺乏的難題。

近日，中國科學技術大學（以下簡稱中國科大）羅毅教授、江俊教授、尚偉偉副教授團隊與中國深空探測實驗室張哲研究員等合作，采用前期研制的機器化學家“小來”平臺，利用火星隕石，制備出實用的產氧電催化劑，“生產”出氧氣。11月14日，研究成果發表在《自然-合成》期刊上。

“這是使用火星原料制備出的第一個產氧催化劑。此次研究不僅驗證了人工智能技術創制新材料的超強能力，還為向火星移民、星際探索等邁出了非常重要的一步。”論文共同通訊作者羅毅向《中國科學報》介紹。

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機器化學家探索星際資源的原位利用示意圖。中國科大供圖

“就地取材”制出催化劑

水、氧氣是人類賴以生存的重要物質基礎。科學發現，火星上存在水資源，但沒有氧氣。

在地球上，通過電催化析氧反應，以水為原料，科研人員成功制備出了氧氣。那么，在火星上是否也可以實現這一目標？但目前人類無法在火星環境下長期生存，也就無法“就地取材”在火星上制備產氧催化劑。

人工智能機器人提供了一個完美的解決方案。

2022年9月，中國科大機器化學家“小來”系統接到一個特殊任務——用火星隕石中的一些成分制備出催化劑。

“實驗中的隕石都是真正來自于火星。”論文第一作者、中國科大副研究員朱青介紹，火星隕石中有很多組分，每個組分里包含各自的金屬，如鐵、錳、鎳、鈣、鎂、鋁等元素，這些金屬元素都是合成催化劑的必要成分。

“小來”首先利用自身裝載的激光誘導擊穿光譜設備，對火星隕石進行了詳細的礦物分析，發現其中有很多種金屬適合作產氧催化劑的有效成分。

緊接著，通過強酸浸漬把礦物全部溶解，提煉出里面的金屬組分；然后，加堿沉淀得到一個含多金屬的氫氧化物；最后，以氫氧化物作為陽極催化劑，參與火星鹵水的電解反應，從而制備出氧氣。

論文共同通訊作者江俊表示，“該工作成功展示了在地外星系上因地制宜創制化學品的智能化全流程，為未來地外文明探索提供了新的技術手段，對我國在未來月球、火星空間站上實現星際資源的原位綜合利用建立了獨特的方案。”

《自然-合成》一位審稿專家高度評價此次工作，稱“本文報道了通過機器化學家系統在火星上合成產氧催化劑的令人興奮的方法”。

2000年變6周

火星隕石中的金屬成分組合形成催化劑，大概可以組成300多萬種配方。如何在這么大的基數中快速找到最優配比？

“小來”展現出超越人類科學家的理論與實踐能力：利用它的“計算大腦”自主創建了一批理論構象，然后開始做大規模的理論計算。于此同時，“小來”通過其精準的自動化操作能力，快速高效地執行實驗任務。

“理論模擬可以判斷出大致的優化方向，機器實驗則能提供精準的實測數據。再將理論大數據與實驗小數據對齊，建立起一個理實交融機器學習模型。”朱青說，該智能模型能更好地描繪整個高維空間中的化學反應走勢，而依靠人類傳統的經驗是無法實現的。

也就是說，這個智能模型有“預測全局”的能力，可以在數百萬個配方中“推薦”出性能最好的配方。根據此配方，“小來”再做一次實驗驗證即可。

最終，經過6周243次實驗，“小來”成功利用5種火星隕石制備出一款實用的產氧催化劑。 “如果采用傳統的人類化學家通過‘試錯’的模式進行研究，這個工作可能需要2000年才能完成。” 朱青說。

江俊表示，“這種理實交融的研究范式極大地加速了新材料發現過程，能夠從數百萬種可能配方中迅速識別最佳組合。”

原位綜合利用星際資源

那么，用火星隕石制備的催化劑與地球上的催化劑有什么不一樣？為何不直接從地球上帶過去？

“這里強調的是一種原位資源利用策略。在未來的火星移民、星際探索中，不太可能永遠都把地球上的物資運送過去。一是運輸成本太高，二是地外環境下的化學反應情況跟地球上也不一樣，并且催化劑材料自身也存在使用壽命。”江俊解釋說，最好的方法就是“就地取材”，例如，機器人在無人監督的前提下，利用未知的物質自主發現并且創造出有用的化學品。

什么是原位資源利用？

隨著人類深空探測活動日益活躍，傳統運載方式難以支撐未來空間任務的發展，需要不斷降低對地球物質能源補給的依賴，原位資源利用（ISRU）技術成為重要手段。

江俊介紹，地外原位資源利用指的是在星際探索的過程中，因地制宜采集當地的物質資源，進行物理化學方面的改造，使其變成有用的化學品、材料、設施。

事實上，在此次工作之前，羅毅、江俊等人與其他團隊合作，發現“嫦娥五號”取回的月壤可以進行原位資源利用，展示了機器人實現從催化劑制備到地外燃料和氧氣生產的全過程無人化操作。

在此次研究中，研究團隊還最大程度模擬了火星環境下的催化效果：在300立方米的空間站內，屋頂鋪滿火星隕石催化劑，再利用太陽光發電驅動電解水反應。15個小時后，室內的氧氣濃度即可達到人類生存所需的氧氣濃度指標。

“未來，人類可以在火星上建立一個個產氧小工場，在工場屋頂上鋪滿‘小來’制備的產氧催化劑，經過反應，就能得到氧氣。” 江俊憧憬著。

 “下一步，我們計劃為機器人配備更多的傳感器和光譜設備，使其擁有探測感知和預測化學物質微觀演化的能力，以更好地適應不同化學場景。” 江俊說，此外，他們還計劃建立一個有數百個機器人和數千個工作站的大型機器化學家實驗室，這不僅能覆蓋更廣泛的科學研究領域，讓更多科研人員參與智能化學相關的研究，還能產生和積累高質量、高通量的科學數據。后者對于進一步幫助建立跨學科、跨領域的通用科學智能模型非常重要。

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s44160-023-00424-1