研究揭示月球表面太空风化可形成具有光催化特性的钛纳米矿物

文章来源：地球化学研究所

太空风化是月球及太阳系其他无大气天体表面的改造过程之一。太空风化包括微陨石轰击、太阳风离子注入、高能宇宙射线作用等。其中，月球表面的微陨石轰击环境具有粒径小、速度快、通量大等特点。高速微陨石轰击月壤可通过高温熔融、破碎、气化、沉积、胶结等机制，改造月壤的物质组成、成分、光谱、物理性质等。由于月表物质组成多样、微陨石轰击过程复杂、轰击产物不稳定等因素的耦合影响，月球表面微陨石轰击的改造机制及效应，如月壤中过度金属钛（Ti）元素受到微陨石轰击引起的物相、价态、同位素组成、月壤特性等变化机理的认识尚不完善，甚至存在争议。

中国科学院地球化学研究所联合澳门科技大学和广东工业大学，对嫦娥五号月壤颗粒开展研究，在月壤玻璃珠表面微陨石撞击坑中发现一系列含Ti的蒸发沉积颗粒。TEM分析结果显示，这些含Ti颗粒为金红石（TiO2）、三方结构Ti2O和三斜结构Ti2O。其中，三方Ti2O和三斜Ti2O未在天然地质样品中被发现。而在材料学领域，Ti2O是可在实验室内制备的光催化薄膜材料。该研究揭示了月壤中这些Ti纳米矿物的成因过程，即高速微陨石轰击月表钛铁矿颗粒，形成Fe、Ti、O等的复杂离子环境，进而Ti4+和Ti1+与O2-结合形成纳米级的金红石、三方Ti2O和三斜Ti2O。

上述成果完善了科学家对于月球表面太空风化过程的认识，并为探讨太阳系其他无大气天体（水星、小行星等）表面的空间风化过程提供了线索。该研究发现了天然产出的三方Ti2O和三斜Ti2O两种纳米新矿物相。这是月球样品中发现的第七种、第八种月球新矿物。研究获得了月球表面微陨石轰击对Ti氧化物（钛铁矿等）改造过程及效应的矿物学证据，发现了Ti纳米矿物为之前未识别（或被忽略）的太空风化产物，这完善了科学家对月球表面太空风化作用过程的认知。由于金红石（Ti2O）和TiO2是有效的天然光催化物质，因此该研究提出了太空风化（微陨石撞击）可以改变月壤光催化特性的新观点，以及具有光催化特性的金红石（Ti2O）和TiO2或影响太阳系无大气天体（碳质小行星等）表面有机质保存。

近期，相关研究成果发表在《自然-天文学》（Nature Astronomy）上。这是月球地质、月表空间环境、TEM分析技术开展交叉研究的成果。研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项和国家自然科学基金项目等的支持。

论文链接

月壤微陨石撞击坑中的Ti纳米矿物（左图为假彩色图，蓝色区域为撞击溅射物）

月壤中Ti纳米矿物的微陨石轰击成因过程示意图

月球返回样品中相继发现的新矿物相（研究报道的第七种、第八种月球新矿物）