车浪等：月壤原位利用技术研究进展 1441 Filter 电极和反应容器的化学腐蚀性较强，因而对电极 Dust 和容器有着较高的要求.高性能廉价电极和电解 槽材料开发以及真空环境下的电解效率提升也是 Chloride 目前电解法的主要研究方向.熔融电解直接以熔 0 removal 融月壤为电解质，不添加其他化学介质，在月壤资 Me CaClz 0 源原位利用上更有优势，但由于电解温度较高，目 Regolith Molten Anode cathode 前的条件难以满足熔融电解的进行.熔盐电解大 CaO+CaCl, 幅降低了电解温度，并成功的制备了金属和氧气 Furnace 但熔盐电解法需要地球供给氯化物或氟化物，熔 盐在电解过程中因挥发等造成的损耗也不利于电 图6FFC法示意图5- 解物质的循环，对实现月壤资源原位利用存在一 Fig.6 Illustration of the FFCCambridge electrolysis process 定限制.此外，由于电解整个过程中需要维持一定 Filter 温度，电解过程的加热技术也是目前电解技术亟 Regolith Dust 待解决的难题.目前研究人员已提出了几种加热 方法，但其对月球环境的适用性仍需要进一步论证 ●a+ Q Chloride 3.2.3真空热解法 Cao Ca removal 真空热解法是在一定真空度下，以聚焦加热 +CaCl, 或其他高温加热手段将金属氧化物加热到足够高 8 Me 的温度，使得金属氧化物蒸发并分解为简单氧化 LMetal alloy ““ 物、气态金属和氧气并分开收集的方法.在月球 Porous metal Molten Anode cathode CaO+CaCl, 的高真空环境下，理论上这个过程只需要提供高 温热源和各种类型的月壤即可进行.Steurer 图70S法示意图5，纠 Fig.7 Illustration of the OS molten salt electrolysis process 和Nerad6]等提出真空热分解模拟月壤制取金属 和氧气的思路，即利用高温技术将月壤风化层加 及添加剂选择上，应使金属氧化物在熔盐中有较 热到足够高的温度，如果温度高于产物气化温度， 高的溶解度，且生成的离子在熔盐中有较高的迁 则在加热区上方产生混杂氧气和气态金属的气 移速率和导电性5此外，电解液的熔点、黏度和 团.气态金属在产生后需快速的进行冷凝收集，产 蒸气压应该较低，并且不应与电极或还原产生的 生氧气不断的移出反应器并收集.整个过程的示 金属发生反应s刃，熔盐电解的反应速率与电解 意图如图8所示.金属氧化物在加热过程中，熔融 电流效率成正比，目前对于模拟月壤的熔盐电解 金属氧化物、分解出来的氧以及气态金属存在式 的电解效率在40%~60%之间，而在冰晶石熔盐 (2)热力学平衡： 体系中电解铝的电流效率可达95%51，可见月壤 Me,Oy()M(2 (2) 风化层熔融盐电解有较大的改进潜力.目前已有 关于模拟月壤的惰性阳极电解研究.Lomax 式中，“Me”代表金属元素.由式(2)可知，反应为 等IB网利用Metalysis-FFC法将月球表层模拟样品完 纯气相反应.不断地从反应腔中移走产生的气态 全转化为金属产品.在电解过程中，在掺杂了SnO2 金属和氧气使得氧分压和气态金属分压保持在很 的惰性阳极附近有氧气的生成，阴极产物则由三 低的水平，就能使反应朝着产生金属和氧气的方 种合金组成：铝/铁、铁/硅和钙/硅/铝，检测显示合 向移动，发生气相还原反应6例 金产物中氧的质量分数仅为3%.Xie等60使用 研究发现，一些氧化物在高温下倾向于先形 Feo,.s8Nio,42合金作为惰性阳极，在NaF-AF;-FeTiO3 成简单氧化物，如AIO、SiO和TiO等2真空热 熔盐体系中开展电解钛铁矿制备合金和氧气的研 解需要较高的温度，高温等离子体加热、电辐射加 究.在阴极获得了AlFe、Al3Ti等铝基合金，在阳 热、激光或太阳能聚焦加热等是目前真空热解的 极获得纯度超过97%的氧气.其电流效率为 主要加热技术.Burton等I6a]设计了一个采用核辐 40.12%~45.63% 射源加热的封闭间歇循环系统，模拟了从月壤风 电解法由于需要在高温条件下进行，原料对 化层中提取氧气的过程.此外，也有研究报道了利及添加剂选择上，应使金属氧化物在熔盐中有较 高的溶解度，且生成的离子在熔盐中有较高的迁 移速率和导电性[56] . 此外，电解液的熔点、黏度和 蒸气压应该较低，并且不应与电极或还原产生的 金属发生反应[55, 57] . 熔盐电解的反应速率与电解 电流效率成正比，目前对于模拟月壤的熔盐电解 的电解效率在 40%～60% 之间，而在冰晶石熔盐 体系中电解铝的电流效率可达 95% [58] ，可见月壤 风化层熔融盐电解有较大的改进潜力. 目前已有 关 于 模 拟 月 壤 的 惰 性 阳 极 电 解 研 究 . Lomax 等[59] 利用 Metalysis-FFC 法将月球表层模拟样品完 全转化为金属产品. 在电解过程中，在掺杂了 SnO2 的惰性阳极附近有氧气的生成，阴极产物则由三 种合金组成：铝/铁、铁/硅和钙/硅/铝，检测显示合 金产物中氧的质量分数仅为 3%. Xie 等[60] 使用 Fe0.58−Ni0.42 合金作为惰性阳极，在 NaF−AlF3−FeTiO3 熔盐体系中开展电解钛铁矿制备合金和氧气的研 究. 在阴极获得了 Al3Fe、Al3Ti 等铝基合金，在阳 极获得纯度超 过 97% 的氧气 . 其电流效率 为 40.12%～45.63%. 电解法由于需要在高温条件下进行，原料对 电极和反应容器的化学腐蚀性较强，因而对电极 和容器有着较高的要求. 高性能廉价电极和电解 槽材料开发以及真空环境下的电解效率提升也是 目前电解法的主要研究方向. 熔融电解直接以熔 融月壤为电解质，不添加其他化学介质，在月壤资 源原位利用上更有优势，但由于电解温度较高，目 前的条件难以满足熔融电解的进行. 熔盐电解大 幅降低了电解温度，并成功的制备了金属和氧气. 但熔盐电解法需要地球供给氯化物或氟化物，熔 盐在电解过程中因挥发等造成的损耗也不利于电 解物质的循环，对实现月壤资源原位利用存在一 定限制. 此外，由于电解整个过程中需要维持一定 温度，电解过程的加热技术也是目前电解技术亟 待解决的难题. 目前研究人员已提出了几种加热 方法，但其对月球环境的适用性仍需要进一步论证. 3.2.3    真空热解法 真空热解法是在一定真空度下，以聚焦加热 或其他高温加热手段将金属氧化物加热到足够高 的温度，使得金属氧化物蒸发并分解为简单氧化 物、气态金属和氧气并分开收集的方法. 在月球 的高真空环境下，理论上这个过程只需要提供高 温 热 源 和 各 种 类 型 的 月 壤 即 可 进 行 . Steurer 和 Nerad [61] 等提出真空热分解模拟月壤制取金属 和氧气的思路，即利用高温技术将月壤风化层加 热到足够高的温度，如果温度高于产物气化温度， 则在加热区上方产生混杂氧气和气态金属的气 团. 气态金属在产生后需快速的进行冷凝收集，产 生氧气不断的移出反应器并收集. 整个过程的示 意图如图 8 所示. 金属氧化物在加热过程中，熔融 金属氧化物、分解出来的氧以及气态金属存在式 （2）热力学平衡： MexOy(g) ↔ xMe(g) + y 2 O2 （2） 式中，“Me”代表金属元素. 由式（2）可知，反应为 纯气相反应. 不断地从反应腔中移走产生的气态 金属和氧气使得氧分压和气态金属分压保持在很 低的水平，就能使反应朝着产生金属和氧气的方 向移动，发生气相还原反应[62] . 研究发现，一些氧化物在高温下倾向于先形 成简单氧化物，如 AlO、SiO 和 TiO 等[62] . 真空热 解需要较高的温度，高温等离子体加热、电辐射加 热、激光或太阳能聚焦加热等是目前真空热解的 主要加热技术. Burton 等[63] 设计了一个采用核辐 射源加热的封闭间歇循环系统，模拟了从月壤风 化层中提取氧气的过程. 此外，也有研究报道了利 O2− O2 O2 Me Regolith cathode Molten CaO+CaCl2 Furnace Anode Dust Chloride removal CaCl2 Filter 图 6    FFC 法示意图[51-52] Fig.6    Illustration of the FFC Cambridge electrolysis process[51-52] Regolith Ca Ca2+ O2− CaO MeO Me Porous metal cathode Metal alloy Molten CaO+CaCl2 Anode O2 O2 Filter Dust Chloride removal CaCl2 图 7    OS 法示意图[53-54] Fig.7    Illustration of the OS molten salt electrolysis process[53-54] 车    浪等： 月壤原位利用技术研究进展 · 1441 ·