在月球背面发现贵金属钌

《Journal of Energy Chemistry》：Discovery of noble-metallic ruthenium on the moon farside

本研究首次利用电镜分析在嫦娥六号月球背面样本中发现纳米级金属Ruthenium，颠覆了地球常见氧化物的认知，为月球资源开发提供新方向。

　　

梁青|张伟|赵振振|周江|李秀娟|陈珍|周强|邹萌

教育部汽车材料重点实验室，材料科学与工程学院，电子显微镜中心，未来科学国际中心，长白山实验室，吉林大学，长春130012，吉林，中国

摘要

像钌（Ru）这样的贵金属在地球上非常稀有，但对可持续能源催化剂至关重要，其广泛应用受到地球上的稀缺性和分布不均的限制。为了克服这一资源瓶颈，探索地外贵金属储藏变得至关重要。在本文中，我们利用校正像差的高分辨率透射电子显微镜对嫦娥六号任务从月球背面采集的样本进行了研究，首次发现了含有纳米级钌的物种（这是一种典型的贵金属）。能量色散X射线光谱元素图证实了钌存在于特定的颗粒中，主要以化学还原状态存在，这些颗粒被鉴定为天然金属颗粒，与地球上常见的RuO₂形式不同。这一发现表明月球表面存在独特且有价值的贵金属材料，可用于能源应用，与地球上的类似物不同，并强调了未来利用月球资源对可持续能源的重要性。

引言

铂族金属（PGMs）是贵金属的一个子集[1]，包括钌（Ru），它们是推动关键电化学反应的先进催化剂的重要组成部分，这些电化学反应对于可持续能源应用至关重要，例如燃料电池中的氧还原反应（ORR）[2]、清洁氢生产中的氢演化反应（HER）[3]以及水分解中的氧演化反应（OER）[4]。然而，它们的广泛应用面临一个根本性的限制：铂族金属在地球地壳中的分布极为稀少且不均匀。特别是钌，在地球上非常稀有。这种天然的稀缺性，加上复杂的提取过程和地缘政治因素，导致成本过高，严重阻碍了这些重要绿色技术的广泛应用和发展。为了克服这一地球供应限制，探索地外的贵金属来源变得至关重要。

月球表面，尤其是其较少被探索的背面，为研究亲铁元素（如铂族金属）的分布和化学形态提供了独特的机会。从不同区域获取原始月球样本对于推进这一研究至关重要。最近的嫦娥六号任务取得了历史性突破，成功从月球背面带回了首批样本[5]、[6]。这些样本来自南极-艾特肯（SPA）盆地南缘（41°–45° S, 150°–158° W），总重量为1935.3克，可能来自月球地幔深处[7]。这些样本与之前的嫦娥五号样本[8]、[9]、[10]、[11]、[12]一起，为研究在原始地外条件下具有潜在经济价值的元素的浓度、矿物学宿主相和化学状态提供了宝贵的资料。

利用最先进的校正像差透射电子显微镜（TEM）和能量色散X射线光谱（EDS）对嫦娥六号月球背面风化层进行高分辨率分析，取得了重要发现：发现了离散的纳米级含钌物种。据我们所知，这是首次在月球材料中识别出贵金属。微观结构和元素图证实了样本中单个颗粒内存在钌。关键的是，EDS分析表明，钌主要以化学还原状态存在，而不是在地球上常见的氧化物形式（RuO₂），而是以天然金属颗粒的形式存在。这一在月球背面风化层中发现潜在金属钌的发现，突显了月球表面存在独特的贵金属材料，与地球上的矿物学特征不同，并强调了进一步表征以阐明其起源、宿主岩石类型及其对未来资源利用策略潜在影响的重要性。

实验方法

我们的研究样本来自嫦娥六号采集的碎块。选取了该碎块的一部分进行详细分析。使用奥林巴斯OLS5100激光共聚焦显微镜获取激光扫描共聚焦显微镜（LSCM）图像。使用奥林巴斯DSX2000数字光学显微镜观察颗粒的宏观形态特征。对于TEM观察，将嫦娥六号样本通过超声处理分散在乙醇中，然后滴涂在铜网格上。

结果与讨论

为了可视化和分析嫦娥六号月球土壤样本的细微结构，我们采用了多种光学显微镜技术（图1a–d）：混合模式成像和偏振光成像用于显示双折射和晶体纹理；明场照明用于观察基本形态；暗场照明用于突出不连续性和边缘。此外，还使用彩色LSCM进行了三维分析。

结论

本研究首次提供了确凿证据，证明在原始的嫦娥六号月球背面风化层样本中存在纳米级结晶钌（Ru⁰）。通过先进的校正像差TEM/EDS分析，我们识别出了空间受限的富钌纳米颗粒集合体。高分辨率成像显示了明确对应于六方密排金属钌的晶格条纹，而极低的氧含量证实了其主要以还原态（Ru⁰）存在。

作者贡献声明

梁青：撰写 – 原始草稿、方法论、研究、数据管理、概念构思。张伟：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、方法论、正式分析、概念构思。赵振振：数据管理。周江：数据管理。李秀娟：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供。陈珍：数据管理。周强：方法论。邹萌：项目管理、数据管理。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

作者衷心感谢中国国家航天局提供宝贵的嫦娥六号样本（CE6C0000YJYX060, CE6C0100），以及月球探测与空间工程中心和深空探测实验室的大力支持。同时，也非常感谢沈阳远杰光学科技有限公司的Gao Yan、Tian Wenqiang和You Liyu在LSCM研究中的协助和讨论。

梁青是吉林大学长白山实验室的研究员，拥有吉林大学材料物理与化学博士学位。他的研究兴趣包括透射电子显微镜、金属催化中的结构-活性关系以及空间科学。他在《Sci. Bull.》、《Nano Lett.》、《ChemCatChem》和《ACS Appl. Nano Mater.》等期刊上发表了多篇第一作者或通讯作者论文。