·1626 工程科学学报，第43卷，第12期 来自固态金属氧化物阴极（即月壤），而熔盐电解 有金属铱和铬铁合金，其中铱的成本过高，故铬铁 质没有被消耗：该方法明显的缺点在于：电解过程 合金更具应用价值，而铬铁合金中铁含量对于其 中固态阴极需要经过一个非常冗长的预处理过 钝化层的形成极为重要，但高铁含量易于导致界 程，包括压片和烧结：CaC2电解质需从地球上运 面缺陷和内部氧化的问题.由此可见，关于惰性阳 输.同时，电解过程电流效率相对较低 极材料的开发及其性能的改善等方面的研究已较 5.22熔融月壤电解法 多，但各类惰性阳极均存在一些成本高、制备工艺 熔融月壤电解是在月球上获得氧气和金属最 苛刻和部分性能差等问题，故科研工作者仍需不 直接的方法，该方法源于MOE工艺6).如前文所 断研制新的、成本更低、更易得和性能更优的惰 述，Sadoway团队发现铬铁合金在MOE工艺中表 性阳极.总体而言，应用于不同高温熔盐体系的惰 现出了很好的惰性，制得氧气的同时可以制得有 性阳极虽所追求性能基本相似，但具体阳极材料 经济价值的金属.因此铬基合金有望成为熔融月 却有所不同，就实际生产应用而言，合金基惰性阳 壤电解制氧的最佳阳极材料. 极和金属陶瓷惰性阳极更具有应用前景，其中合 作为备受重视的制氧方法，熔融月壤电解方 金基惰性阳极应拓宽合金基础和添加金属的范 法具有更大的优势：①月壤既是制氧原料，又是熔 围，在明确添加金属对阳极性能作用机理的基础 融电解质，无需附加化学试剂：②可以直接选取月 上尝试合金多元化，金属陶瓷情性阳极在关注金 壤为原料，减少了预处理过程：③月面太阳能充 属与陶瓷的配合基础上，还应改善两者间的贴合 足，发电可直接用于月壤电解制备氧气；④制氧过 度和稳定性.此外，目前大多惰性阳极仍处于实验 程中，可从月壤中同时提取金属和合金或金属间 室规模的研制.距离工业化应用仍有差距，故还需 化合物.能够为“月球基地”建设提供结构材料. 将所研制惰性阳极进行大规模电解实验或工业化 6结论与展望 实验的验证，以发现并解决惰性阳极材料应用中 存在的问题 在我国“碳达峰、碳中和”的战略要求下，以碳 与此同时，采用惰性阳极的熔盐电解可以产 为能量载体的冶金工业面临巨大的挑战，开发低 生氧气，其可作为人类探月工程中太空飞船的燃 碳冶金技术势在必行，为以电子作为能量载体和 料供应和人类未来月面生存的氧气供应，相比较 反应推动力的熔盐电化学冶金提供了良好的发展 而言，熔融月壤电解法是月球表面制氧的最佳方 契机.然而，熔盐电解过程中如果仍然使用炭素 法，该方法提供一种对环境友好并产值高效的深 阳极，则无法实现碳中和要求，故亟需开发熔盐电 空制氧途径.但该方法所采用的惰性阳极仍存在 解体系的惰性析氧阳极，实现熔盐电解过程零碳 价格昂贵和制备困难等问题，科研工作者还需不 排放 断探寻廉价易得且适用于熔融月壤电解法的惰性 本文分别介绍了铝电解氟化物盐、CaC2熔 阳极，以加速该方法在月球的成功应用，进而为世 盐、碳酸盐和熔融氧化物等高温体系中惰性阳极 界各国的探月工程提供有力保障. 的研究进展.在铝电解氟化物盐中的惰性阳极主 要有金属氧化物、金属合金和金属陶瓷三大类，其 参考文献 中金属陶瓷兼顾金属氧化物的耐腐蚀性、热稳定 [1]Xie G.Theory and Application of Molten Salt.Beijing: 性、抗氧化性和金属合金的导电和抗热冲击性等 Metallurgical Industry Press,1998 优点，是最具有工业应用前景的惰性阳极材料 (谢刚.熔融盐理论与应用.北京：冶金工业出版社，1998) 在CaCl2熔盐中的惰性阳极主要有贵金属Pt、SnO2、 [2]Liu Y X.Li J.Modern Aluminum Electrolysis.Beijing: 钉钉钛酸基阳极、Ti4O,和硼化钛，其中Pt和钉 Metallurgical Industry Press,2008 (刘业翔，李劫.现代铝电解.北京：冶金工业出版社，2008) /钌钛酸基阳极相对成本较高，SnO2高温易破损， [3] Zhang H L,Yang S,Zhang HH,et al.Numerical simulation of 且表面形成的CaSnO3钝化膜会降低其导电性，故 alumina-mixing process with a multicomponent flow mode T,O,和硼化钛相对更具应用价值，但其对加工制 coupled with electromagnetic forces in aluminum reduction cells 备的要求较高.在碳酸盐中惰性阳极主要有铁镍 J0M2014,66(7):1210 基合金和SnO2两类，其中对铁镍基合金的研究较 [4]Zhou K C,Li Z Y,Zhang L.Cermet Inert Anode for Aluminum 多，且其更具应用前景，但仍需提高其耐腐蚀性和 Electrolysis.Changsha:Central South University Press,2012 抗氧化性能力.在熔融氧化物中的惰性阳极主要 (周科朝，李志友，张雷.铝电解金属陶瓷惰性阳极材料.长沙：来自固态金属氧化物阴极（即月壤），而熔盐电解 质没有被消耗；该方法明显的缺点在于：电解过程 中固态阴极需要经过一个非常冗长的预处理过 程，包括压片和烧结；CaCl2 电解质需从地球上运 输. 同时，电解过程电流效率相对较低. 5.2.2    熔融月壤电解法 熔融月壤电解是在月球上获得氧气和金属最 直接的方法，该方法源于 MOE 工艺[67] . 如前文所 述，Sadoway 团队发现铬铁合金在 MOE 工艺中表 现出了很好的惰性，制得氧气的同时可以制得有 经济价值的金属. 因此铬基合金有望成为熔融月 壤电解制氧的最佳阳极材料. 作为备受重视的制氧方法，熔融月壤电解方 法具有更大的优势：①月壤既是制氧原料，又是熔 融电解质，无需附加化学试剂；②可以直接选取月 壤为原料，减少了预处理过程；③月面太阳能充 足，发电可直接用于月壤电解制备氧气；④制氧过 程中，可从月壤中同时提取金属和合金或金属间 化合物，能够为“月球基地”建设提供结构材料. 6    结论与展望 在我国“碳达峰、碳中和”的战略要求下，以碳 为能量载体的冶金工业面临巨大的挑战，开发低 碳冶金技术势在必行，为以电子作为能量载体和 反应推动力的熔盐电化学冶金提供了良好的发展 契机. 然而，熔盐电解过程中如果仍然使用炭素 阳极，则无法实现碳中和要求，故亟需开发熔盐电 解体系的惰性析氧阳极，实现熔盐电解过程零碳 排放. 本文分别介绍了铝电解氟化物盐、CaCl2 熔 盐、碳酸盐和熔融氧化物等高温体系中惰性阳极 的研究进展. 在铝电解氟化物盐中的惰性阳极主 要有金属氧化物、金属合金和金属陶瓷三大类，其 中金属陶瓷兼顾金属氧化物的耐腐蚀性、热稳定 性、抗氧化性和金属合金的导电和抗热冲击性等 优点，是最具有工业应用前景的惰性阳极材料. 在 CaCl2 熔盐中的惰性阳极主要有贵金属 Pt、SnO2、 钌/钌钛酸基阳极、Ti4O7 和硼化钛，其中 Pt 和钌 /钌钛酸基阳极相对成本较高，SnO2 高温易破损， 且表面形成的 CaSnO3 钝化膜会降低其导电性，故 Ti4O7 和硼化钛相对更具应用价值，但其对加工制 备的要求较高. 在碳酸盐中惰性阳极主要有铁镍 基合金和 SnO2 两类，其中对铁镍基合金的研究较 多，且其更具应用前景，但仍需提高其耐腐蚀性和 抗氧化性能力. 在熔融氧化物中的惰性阳极主要 有金属铱和铬铁合金，其中铱的成本过高，故铬铁 合金更具应用价值，而铬铁合金中铁含量对于其 钝化层的形成极为重要，但高铁含量易于导致界 面缺陷和内部氧化的问题. 由此可见，关于惰性阳 极材料的开发及其性能的改善等方面的研究已较 多，但各类惰性阳极均存在一些成本高、制备工艺 苛刻和部分性能差等问题，故科研工作者仍需不 断研制新的、成本更低、更易得和性能更优的惰 性阳极. 总体而言，应用于不同高温熔盐体系的惰 性阳极虽所追求性能基本相似，但具体阳极材料 却有所不同，就实际生产应用而言，合金基惰性阳 极和金属陶瓷惰性阳极更具有应用前景，其中合 金基惰性阳极应拓宽合金基础和添加金属的范 围，在明确添加金属对阳极性能作用机理的基础 上尝试合金多元化，金属陶瓷惰性阳极在关注金 属与陶瓷的配合基础上，还应改善两者间的贴合 度和稳定性. 此外，目前大多惰性阳极仍处于实验 室规模的研制，距离工业化应用仍有差距，故还需 将所研制惰性阳极进行大规模电解实验或工业化 实验的验证，以发现并解决惰性阳极材料应用中 存在的问题. 与此同时，采用惰性阳极的熔盐电解可以产 生氧气，其可作为人类探月工程中太空飞船的燃 料供应和人类未来月面生存的氧气供应，相比较 而言，熔融月壤电解法是月球表面制氧的最佳方 法. 该方法提供一种对环境友好并产值高效的深 空制氧途径. 但该方法所采用的惰性阳极仍存在 价格昂贵和制备困难等问题，科研工作者还需不 断探寻廉价易得且适用于熔融月壤电解法的惰性 阳极，以加速该方法在月球的成功应用，进而为世 界各国的探月工程提供有力保障. 参    考    文    献 Xie  G. Theory and Application of Molten Salt.  Beijing: Metallurgical Industry Press, 1998 （ 谢刚. 熔融盐理论与应用. 北京: 冶金工业出版社, 1998） [1] Liu  Y  X,  Li  J. Modern Aluminum Electrolysis.  Beijing: Metallurgical Industry Press, 2008 （ 刘业翔, 李劼. 现代铝电解. 北京: 冶金工业出版社, 2008） [2] Zhang  H  L,  Yang  S,  Zhang  H  H,  et  al.  Numerical  simulation  of alumina-mixing  process  with  a  multicomponent  flow  model coupled with electromagnetic forces in aluminum reduction cells. JOM, 2014, 66（7）: 1210 [3] Zhou  K  C,  Li  Z  Y,  Zhang  L. Cermet Inert Anode for Aluminum Electrolysis. Changsha: Central South University Press, 2012 （ 周科朝, 李志友, 张雷. 铝电解金属陶瓷惰性阳极材料. 长沙: [4] · 1626 · 工程科学学报，第 43 卷，第 12 期