.1440 工程科学学报，第43卷，第11期 产生正负离子的迁移，在阳极上发生氧化反应析出 气体，在阴极上发生还原反应析出金属.根据电解 CO,H2 质的差别可分为直接熔融电解法和熔盐电解法. H,0 熔融电解法是直接以熔融月壤为电解质来进 行电解的方法.如图5所示，在1600℃左右的高 CH 温条件下，电解槽内熔融状态月壤熔体通电后，金 H,0 属阳离子在阴极放电析出金属或合金，含氧阴离 Regolith H Electrolysis 子在阳极放电析出氧气，实现目标金属材料和氧 气的制备 Filter Sabatier reactor Dust 图3部分熔融还原示意图网 Fig.3 Schematic diagram of partial melting reduction 02 01 循环过程较复杂.因为氟具有较强的腐蚀性，因而 在每个反应步骤中都需要用到专用的反应器的 Molten regolith Landis提出完整的F循环的工艺7经氟化反应 Metal 器后，气态组分蒸馏分离出O2、F2、SF4和TF4, Cathode Anode S证4在等离子体室中转化为金属硅和氟气体.氧 气被储存起来供使用，而氟气体则在这个过程中 Metal alloy 被循环利用.整个过程如图4所示 图5熔融电解法示意图叫 Plasma chamber SiF, Fig.5 Schematic diagram of the moltenelectrolysis process O2,F2,SiF4,TiF Si 金属氧化物的熔融电解还原取决于温度和电 Condens 势，常见的金属氧化物都可以通过熔融电解法还 原)熔融电解过程需保持较高温度，由于反应温 T Solid TiF fluorides 度较高，熔融风化层具有一定化学侵蚀性，对电极 0 KF 材料提出了较高要求.电极必须是耐腐蚀材料且 Regolith .Metals 能承受1600~2000℃的高温，研究中使用较多的 CaF2MgF: KF 电极材料有铱、钼、铂等贵金属或导电陶瓷等o K K-reduction 由于原料和电解条件的限制，目前仍然缺乏对于 furnace Molten KF electrolysis 直接熔融电解月壤的相关研究 F 熔盐电解法是将月壤风化层作为阴极材料并 图4氟化法示意图47 熔于熔盐介质来进行电解的方法.电解过程中，阴 Fig.4 Schematic diagram of the fluorination process 极的金属阳离子被还原为金属，氧离子迁移至惰 整个氟化和氟再生反应需要六到八个反应 性阳极以氧气形式析出.目前熔盐电解法主要由 器，各步骤的反应温度控制在700℃以下6-切氟 FFC51-5)法和OS54-5约法两种：其用于月壤风化层 化法产氧效率较高，利用氟化法处理月壤的产率 电解过程如图6和7所示. 可达41.0%~44.8%.氟循环的第一批氟需以稳 两种方法在阴极的设置上不同，FFC法阴极 定氟盐的形式从地球运输.此外，金属氟化物与相 材料为具有一定强度和孔隙率的月壤风化层烧结 应的金属或金属氧化物发生反应也会造成氟损 柱，OS法的阴极材料是内部装有一定粒度月壤风 失，需从地球补充 化层粉末的阴极框（金属网或合金网）.在还原机 3.22电化学还原法 理上，FFC法是通过直接电解脱氧得到金属和氧 电化学还原法是一种通过电子的转移来实现 气，OS法是经钙热还原得到金属和氧气 氧化还原的方法.在电解质溶液中通以直流电流， 熔盐电解需要足够大的电源电压四在熔盐循环过程较复杂. 因为氟具有较强的腐蚀性，因而 在每个反应步骤中都需要用到专用的反应器[46] . Landis 提出完整的 F 循环的工艺[47] . 经氟化反应 器后，气态组分蒸馏分离出 O2、F2、SiF4 和 TiF4， SiF4 在等离子体室中转化为金属硅和氟气体. 氧 气被储存起来供使用，而氟气体则在这个过程中 被循环利用. 整个过程如图 4 所示. O2 , F2 , SiF4 , TiF4 F2 F2 F2 CaF2 , MgF2 KF KF K Solid fluorides Regolith F2 K-reduction furnace Condenser TiF4 O2 SiF4 Si Plasma chamber Metals Molten KF electrolysis 图 4    氟化法示意图[47] Fig.4    Schematic diagram of the fluorination process[47] 整个氟化和氟再生反应需要六到八个反应 器，各步骤的反应温度控制在 700 ℃ 以下[46−47] . 氟 化法产氧效率较高，利用氟化法处理月壤的产率 可达 41.0%～44.8% [48] . 氟循环的第一批氟需以稳 定氟盐的形式从地球运输. 此外，金属氟化物与相 应的金属或金属氧化物发生反应也会造成氟损 失，需从地球补充. 3.2.2    电化学还原法 电化学还原法是一种通过电子的转移来实现 氧化还原的方法. 在电解质溶液中通以直流电流， 产生正负离子的迁移，在阳极上发生氧化反应析出 气体，在阴极上发生还原反应析出金属. 根据电解 质的差别可分为直接熔融电解法和熔盐电解法. 熔融电解法是直接以熔融月壤为电解质来进 行电解的方法. 如图 5 所示，在 1600 ℃ 左右的高 温条件下，电解槽内熔融状态月壤熔体通电后，金 属阳离子在阴极放电析出金属或合金，含氧阴离 子在阳极放电析出氧气，实现目标金属材料和氧 气的制备. O2− O2 O2 Dust Filter Molten regolith Metal Metal alloy Cathode Anode 图 5    熔融电解法示意图[49] Fig.5    Schematic diagram of the molten electrolysis process[49] 金属氧化物的熔融电解还原取决于温度和电 势，常见的金属氧化物都可以通过熔融电解法还 原[41] . 熔融电解过程需保持较高温度，由于反应温 度较高，熔融风化层具有一定化学侵蚀性，对电极 材料提出了较高要求. 电极必须是耐腐蚀材料且 能承受 1600～2000 ℃ 的高温，研究中使用较多的 电极材料有铱、钼、铂等贵金属或导电陶瓷等[50] . 由于原料和电解条件的限制，目前仍然缺乏对于 直接熔融电解月壤的相关研究. 熔盐电解法是将月壤风化层作为阴极材料并 熔于熔盐介质来进行电解的方法. 电解过程中，阴 极的金属阳离子被还原为金属，氧离子迁移至惰 性阳极以氧气形式析出. 目前熔盐电解法主要由 FFC[51−53] 法和 OS[54−55] 法两种；其用于月壤风化层 电解过程如图 6 和 7 所示. 两种方法在阴极的设置上不同，FFC 法阴极 材料为具有一定强度和孔隙率的月壤风化层烧结 柱，OS 法的阴极材料是内部装有一定粒度月壤风 化层粉末的阴极框 (金属网或合金网). 在还原机 理上，FFC 法是通过直接电解脱氧得到金属和氧 气，OS 法是经钙热还原得到金属和氧气. 熔盐电解需要足够大的电源电压[42] . 在熔盐 CO, H2 H2O O2 H2O H2 CH4 CH4 Regolith Electrolysis Sabatier reactor 图 3    部分熔融还原示意图[42] Fig.3    Schematic diagram of partial melting reduction[42] · 1440 · 工程科学学报，第 43 卷，第 11 期