[发明专利]一种利用月球表面土壤原位制氧气的新方法

说明书

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O^2-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+xO^2-(其中N为Si、Al、Ca、Fe、Mg和Ti)

阳极：xO^2-→x/2O₂+2xe

表1月球表层土壤组成