寇明银等：高温熔盐体系惰性阳极与月壤电解制氧技术 ·1625 (a) (b) (① 10 ,C3 8 50 Tmo o 6 4 06 0.4 .(CALO A/e0 2 Electrolyte 0.2 0 0 100 200 300 400 20 Time/min 图7(a)CroF的SEM图：(b)Cr/Fe原子比EDS分析（沿图7a)中的虚线）：(c)CrooFeo电解质界面光学显微图：(d,e)CrFe1o表面XRD图， 靠近基体(d)及靠近电解质（片(f)恒电流电解过程中电压、氧气和氨气含量（体积分数）随时间的变化网 Fig.7 (a)SEM image of CrooFeo(b)Cr/Fe atomic ratio EDS analysis (along the dotted line in Fig.7(a)),(c)optical micrograph of the CrgoFeo electrolyte interface,(d,e)XRD diagrams of the CrooFeo surface,which are close to the substrate(d)and electrolyte (e).(f)variation of the cell voltage and the oxygen and the nitrogen content(volume fraction)of the process gas during constant curent electrolysis 成如图8所示.可以发现，氧元素以稳定的金属氧 CO或CO2.如果用惰性阳极替代传统的石墨阳 化物形式存在于月壤中，含量约为44%6] 极，则O2在惰性阳极界面放电生成O2.受FFC- Other Cambridge工艺的启发，若将月壤作为阴极，则可 Ca Mg 8%5 应用于月球制氧 8% 0 如图9所示，作者团队基于熔盐电脱氧技术， 44% 采用模拟月壤为原料，制得固体阴极，以碱金属或 Si 22% 碱土金属卤化物为熔盐电解质，摻杂Sn的In2O3 或ITO、SnO2、CaMO3(M为Ti、Ru等)和TiO2RuO2 等作为惰性阳极.在一定温度下电解，可将模拟月 困8月壤元素构成 Fig.Elemental composition of moon regolith 壤分解，在阳极和阴极分别获得氧气和金属或者 合金245,6则 5.2月壤电解制氧方法 氧气是人类生存最基本的条件，当建设“月球 基地”和开发利用月球资源成为探月工程的主要 目标时，月面原位制氧技术成为关键646的由于月 壤中氧含量高，被认为是首选的制氧原料.月壤制 氧方法众多，主要包括：化学还原、酸处理、气相 Moletn salts← .Inert anode 高温裂解、等离子高温分离法、熔盐电脱氧法和 Lunar regolith 02- 熔融月壤电解法等，由于本文重点在于高温熔盐 cathode pellet 体系，故仅就熔盐电脱氧和熔融月壤电解法进行 图9FFC法电解熔盐电解制氧示意图 简述. Fig.9 Schematic of oxygen generation by FFC molten salt electrolysis 5.2.1熔盐电脱氧法 电解过程中发生的反应如下所示： 2000年，Fray团队Is提出了一种固体氧化物 熔盐电脱氧提取金属的新方法，被国际上称为 阴极：MOx+2xe→M+xO2- (其中M为Si、Al、Ca、Fe、Mg和Ti) (6) FFC-Cambridge工艺.该工艺的核心思路是以固 体金属氧化物为阴极，以石墨为阳极，在CaC2熔 阳极：x02-→x/202+2xe (7) 盐中电解，电解过程中固体阴极的O2脱出进入 总方程：MOx→M+x/2O2 (8) 熔盐电解质，随后电迁移到阳极界面放电生成 FFC-Cambridge法最突出的特点就是氧完全成如图 8 所示. 可以发现，氧元素以稳定的金属氧 化物形式存在于月壤中，含量约为 44% [63] . Ti 1% Other Mg 3% 5% Ca 8% Fe 8% Al 9% Si 22% O 44% 图 8    月壤元素构成[63] Fig.8    Elemental composition of moon regolith[63] 5.2    月壤电解制氧方法 氧气是人类生存最基本的条件，当建设“月球 基地”和开发利用月球资源成为探月工程的主要 目标时，月面原位制氧技术成为关键[64–65] . 由于月 壤中氧含量高，被认为是首选的制氧原料. 月壤制 氧方法众多，主要包括：化学还原、酸处理、气相 高温裂解、等离子高温分离法、熔盐电脱氧法和 熔融月壤电解法等，由于本文重点在于高温熔盐 体系，故仅就熔盐电脱氧和熔融月壤电解法进行 简述. 5.2.1    熔盐电脱氧法 2000 年，Fray 团队[66] 提出了一种固体氧化物 熔盐电脱氧提取金属的新方法 ，被国际上称为 FFC–Cambridge 工艺. 该工艺的核心思路是以固 体金属氧化物为阴极，以石墨为阳极，在 CaCl2 熔 盐中电解，电解过程中固体阴极的 O 2 –脱出进入 熔盐电解质 ，随后电迁移到阳极界面放电生成 CO 或 CO2 . 如果用惰性阳极替代传统的石墨阳 极，则 O 2 –在惰性阳极界面放电生成 O2 . 受 FFC– Cambridge 工艺的启发，若将月壤作为阴极，则可 应用于月球制氧. 如图 9 所示，作者团队基于熔盐电脱氧技术， 采用模拟月壤为原料，制得固体阴极，以碱金属或 碱土金属卤化物为熔盐电解质，掺杂 Sn 的 In2O3 或 ITO、SnO2、CaMO3 (M 为 Ti、Ru 等）和 TiO2 ·RuO2 等作为惰性阳极. 在一定温度下电解，可将模拟月 壤分解，在阳极和阴极分别获得氧气和金属或者 合金[42–45,64] . Moletn salts Lunar regolith cathode pellet Inert anode O2 O2− 图 9    FFC 法电解熔盐电解制氧示意图 Fig.9    Schematic of oxygen generation by FFC molten salt electrolysis 电解过程中发生的反应如下所示： 阴极：MOx +2xe → M+ xO 2− (其中M为Si、Al、Ca、Fe、Mg和Ti) （6） 阳极：xO 2− → x/2O2 +2xe （7） 总方程：MOx → M+ x/2O2 （8） FFC–Cambridge 法最突出的特点就是氧完全 (a) O, Cr O, Cr, Al O, Cr, Al O, Al, Ca, Cr, Fe, Mg, Zr, Mo 50 μm 50 μm Electrolyte (Cr1.9Al0.1)O3 (Cr1.4Al0.6)O3 Frozen electrolyte Anode Alloy 0.30 0.25 0.20 0.15 Counts ratio Fe/Cr 0.10 0.05 (b) (f) (d) (e) Distance/μm 2θCu/(°) 0 50 100 150 200 500 500 20 40 60 80 20 40 60 80 100 (Cr2−xAlx)O3 (Cr2−xAlx)O3 Electrolyte 10 8 6 4 2 0 0 100 Time/min N2 O2 200 300 400 1.4 1.2 1.0 0.8 Percentage of oxygen or nitrogen in outlet gas/ % Cell voltage/V, Current density, j/(A·cm−2 ) 0.6 0.4 0.2 0 (c) Intensity Intensity 图 7    （a）Cr90Fe10 的 SEM 图；（b）Cr/Fe 原子比 EDS 分析（沿图 7(a) 中的虚线）；（c）Cr90Fe10 电解质界面光学显微图；（d，e）Cr90Fe10 表面 XRD 图， 靠近基体 (d) 及靠近电解质 (e)；（f）恒电流电解过程中电压、氧气和氮气含量（体积分数）随时间的变化[62] Fig.7     (a)  SEM  image  of  Cr90Fe10;  (b)  Cr/Fe  atomic  ratio  EDS  analysis  (along  the  dotted  line  in  Fig.7(a));  (c)  optical  micrograph  of  the  Cr90Fe10 electrolyte interface; (d, e) XRD diagrams of the Cr90Fe10 surface, which are close to the substrate (d) and electrolyte (e); (f) variation of the cell voltage and the oxygen and the nitrogen content (volume fraction) of the process gas during constant current electrolysis[62] 寇明银等： 高温熔盐体系惰性阳极与月壤电解制氧技术 · 1625 ·