CN101956203A - 一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法，包括以下步骤：以月球表层土壤中各主要氧化物的含量为依据，配制模拟月球表层土壤，压力成型；在800℃～1600℃的温度范围内在空气气氛中烧结,烧结后的块体和金属丝连接作为阴极；选Sn掺杂的In2O3或ITO，SnO2，CaMO3及其复合物为惰性阳极,将由上述步骤制备好的阴极、阳极，并选择碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系作为电解液组成电解池电解；电解槽电压范围分别为：2~3V；电解时间为4~100小时；电解的同时采用气体在线监测方法分析阳极氧气析出。本发明的优点在于：直接以月球表层土壤为原料，利用太阳能转化后的电能直接在月球表层原位制备氧气。

Description

一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法
技术领域
本发明涉及深空探测中，利用月球表层土壤直接制备氧气，供宇航员呼吸及飞船动力原料使用。特别涉及以模拟月球表面土壤为阴极，该方法采用Sn掺杂的In2O3(ITO)，SnO2，CaMO3(M为Ti，Ru，Rh)及其复合物为惰性阳极，采用熔盐电解直接从模拟月球表面土壤中制备出氧气的新技术。
背景技术
月球因其蕴藏着丰富的矿产和能源而成为一个取之不尽，用之不竭的能源宝库。飞到月亮上去，这是人类千百年来的梦想。1969年美国宇航局发射的“阿波罗”载人登月飞船的首次成功登月使飞天奔月的千年梦想变成了现实。随着空间技术的发展，北京时间2007年10月24日18时05分左右，由中国自主研制、发射的第一个月球探测器“嫦娥一号”在西昌卫星发射中心成功发射。过去近半个世纪，人类向月球发射的太空飞船重量的85％都是用作飞船燃料供应的氧气。伴随着人类向月球的不断探测，如何大量制取飞船燃料供应所需的氧气成为一个亟待解决的问题。
由于月球表面的低引力，使得呼吸这一在地球上最自然不过的事情却成为了月球上的一大难题。对人类而言，无论是目前发射的太空飞船抑或是有朝一日在月球开辟一块立足之地，面临的一个巨大挑战就是如何解决氧气这一难题。人为向月球运输氧气成本极其昂贵，但是如果我们通过某种方式可以在月球上得到氧气，问题自然迎刃而解。“阿波罗”登月飞船曾带回了在月球表面采集的岩层试样，科学家分析发现月球表面的岩层中富含一种名为铁钛酸的矿物，该矿物在月球表面大量存在且含有大量氧元素。换句话说，月球上存在大量氧元素，但是不是以氧气形式，而是以化合的方式存在于矿物中。现在问题转化为是否有可能把岩层中的氧以氧气形式提取出来。
文献US Pat.No.5536378报道了采用氢气还原铁钛酸在月球表层制备氧气的方法。实际上，如何充分在月球表面利用太阳能完成宇航员的科学考察任务则显的尤为主要，太阳能可被简单的转换为电能，因此如果可以采用电化学的方法在月球表层直接制备氧气将是一种有效途径，迄今为止的报道依旧不能确定月球表层是否有类水资源存在。
本世纪初期，英国剑桥大学以D.J.Fray为首的研究小组提出了一种以TiO2为原料在熔融氯化钙中阴极脱氧生产金属钛的新工艺(文献：G.Z.Chen，D.J.Fray，T.W.Farthing.Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium chloride.Nature，407(2000)：361-364)。由此，金属氧化物直接电解生产纯金属成为全球冶金行业的研究热点。后续进行的实验证明绝大多数金属氧化物中的氧都可以通过这种电化学方法脱除。上述电化学阴极脱氧工艺使用的都是消耗性石墨阳极，电解过程中阴极所含的氧离子化后以O2-形式溶进熔盐，通过熔盐迁移到阳极并在阳极放电与石墨结合成CO和(或)CO2气体，同时阴极得到相应的金属或合金。
本发明提供一种新技术，该技术基于熔盐脱氧，采用惰性阳极对模拟月球表层土壤进行电解，有效地将月球表层土壤中富含的金属氧化物转换为氧气。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种以月球表层土壤为原料，采用熔盐电解直接原位制备氧气的新方法。
本发明以表1中所示的月球表层土壤中各种主要氧化物为原料，将原料氧化物均匀混合后压制成片状，在800～1400℃温度范围内烧结后，和金属集流体连接作为阴极，以卤化物熔盐为电解液，以Sn掺杂的In2O3(ITO)，SnO2，CaMO3(M为Ti，Ru，Rh)及其复合物为惰性阳极，在600～1200℃温度范围内进行电解，通过在线分析技术分析阳极是否有氧气析出。电解过程中其阴、阳极反应可表述为：
阴极：NOx+2xe→N+xO2-(其中N为Si、Al、Ca、Fe、Mg和Ti)
阳极：xO2-→x/2O2+2xe
表1月球表层土壤组成
  月球表层土壤中含量(％wt)
  SiO2   47.9
  Al2O3   17.8
  CaO   11.4
  FeO   10.1
  MgO   9.8
  TiO2   3.0
一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法，包括以下步骤：
(1)以月球表层土壤中各主要氧化物SiO2、Al2O3、CaO、FeO、MgO、TiO2的含量为依据，以表1中月球表层土壤中各主要氧化物的含量为依据，配制模拟月球表层土壤，以10kg/cm2～1000kg/cm2的压力成型，成型压力优选100kg/cm2～400kg/cm2；在800℃～1600℃的温度范围内在空气气氛中烧结，烧结后的块体和金属丝连接作为阴极，金属丝优选钛、碳钢、镍。
(2)Sn掺杂的In2O3或ITO，SnO2，CaMO3(M为Ti，Ru，Rh)及其复合物为惰性阳极；其中，M为Ti或Ru或Rh。
(3)将由上述步骤(1)，(2)制备好的的阴极、阳极，并选择碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系作为电解液组成电解池，在400℃～1200℃的温度下电解；
(4)电解槽电压范围分别为：2～3V；电解时间为4～100小时；电解的同时采用气体在线监测方法分析阳极氧气析出。
所述步骤(1)中使用的金属丝为钛或碳钢或镍。
所述步骤(3)中的碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系为氟化物或氯化物。
所述步骤(3)中的碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系为CaCl2基共晶体系。
所述步骤(4)中，电解槽电压范围为2.4～3.0V。
本发明的优点在于：直接以月球表层土壤为原料，利用太阳能转化后的电能直接在月球表层原位制备氧气。
附图说明
图1是实施例1中恒电压电解过程中的电流-时间的变化曲线；
图2是实施例1中阳极析出氧气的变化曲线；
图3是实施例2中在电解过程中阳极氧气随电解电流变化曲线；
图4a是实施例2中电解前SnO2电极的形貌对比图；
图4b是实施例2中电解后SnO2电极的形貌对比图；
图5是实施例3中在电解过程中阳极氧气随电解电流变化曲线；
图6a是实施例3中电解前CaRu0.5Ti0.5O3电极的形貌对比图；
图6b是实施例3中电解后CaRu0.5Ti0.5O3电极的形貌对比图。
具体实施方式
实施例1
以烧结后的模拟月球表层土壤块体为阴极，Sn掺杂的In2O3为阳极，CaCl2熔盐为电解液进行电解，具体的实施工艺见下表：
Figure BDA0000029918070000041
图1是实施例1中恒电压电解过程中的电流-时间的变化曲线，如图所示，是恒电压电解过程中电流的变化曲线，在电解过程中对阳极气体进行在线检测，结果表明，阳极析出气体为氧气，其随电解电流的变化趋势如图2所示，图2结果表明，阳极氧气的变化趋势与电解电流变化趋势一致。并且，Sn掺杂的In2O3为阳极(ITO)经过10小时电解后，表观形貌和质量没有发生明显变化。表明该类阳极在上述体系中相当稳定。
实施例2
以烧结后的模拟月球表层土壤块体为阴极，SnO2为阳极，CaCl2-NaCl共晶熔盐为电解液进行电解，具体的实施工艺见下表：
图3是实施例2中在电解过程中阳极氧气随电解电流变化曲线，如图所示，在电解过程中对阳极氧气随电解电流变化曲线，和实施例1中类似，阳极氧气析出随电解电流变化趋势而变化。图4a是实施例2中电解前SnO2电极的形貌对比图；图4b是实施例2中电解后SnO2电极的形貌对比图，可以看出，电解前后阳极没有明显变化，表明该类阳极材料在上述体系中相当稳定。
实施例3
以烧结后的模拟月球表层土壤块体为阴极，CaRu0.5Ti0.5O3为阳极，CaCl2-NaCl共晶熔盐为电解液进行电解，具体的实施工艺见下表：
Figure BDA0000029918070000052
图5是实施例3中在电解过程中阳极氧气随电解电流变化曲线，如图所示，在电解过程中对阳极氧气随电解电流变化曲线，和实施例1中类似，阳极氧气析出随电解电流变化趋势而变化。图6a是实施例3中电解前CaRu0.5Ti0.5O3电极的形貌对比图；图6b是实施例3中电解后CaRu0.5Ti0.5O3电极的形貌对比图，可以看出，电解前后阳极没有明显变化，表明该类阳极材料在上述体系中相当稳定。

Claims (5)

1.一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)以月球表层土壤中各主要氧化物SiO2、Al2O3、CaO、FeO、MgO、TiO2的含量为依据，配制模拟月球表层土壤，以10kg/cm2～1000kg/cm2的压力成型，成型压力优选100kg/cm2～400kg/cm2；在800℃～1600℃的温度范围内在空气气氛中烧结，烧结后的块体和金属丝连接作为阴极；
(2)选Sn掺杂的In2O3或ITO，SnO2，CaMO3及其复合物为惰性阳极，其中，M为Ti或Ru或Rh；
(3)将由上述步骤(1)，(2)制备好的的阴极、阳极，并选择碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系作为电解液组成电解池，在400℃～1200℃的温度下电解；
(4)电解槽电压范围分别为：2～3V；电解时间为4～100小时；电解的同时采用气体在线监测方法分析阳极氧气析出。
2.根据权利要求1所述的一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法，其特征在于，所述步骤(1)中使用的金属丝为钛或碳钢或镍。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法，其特征在于，所述步骤(3)中的碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系为氟化物或氯化物。
4.根据权利要求3所述的一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法，其特征在于，所述步骤(3)中的碱金属或碱土金属卤化物熔盐体系为CaCl2基共晶体系。
5.根据权利要求1所述的一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法，其特征在于，所述步骤(4)中，电解槽电压范围为2.4～3.0V。
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