中國(guó)粉體網(wǎng)訊 火星是一個(gè)充滿(mǎn)神秘與未知的星球，它是距離太陽(yáng)第四近的行星,，也是太陽(yáng)系中僅次于水星的第二小的行星,。
隨著在月球上留下足跡之后，人類(lèi)對(duì)神秘的火星充滿(mǎn)了好奇,。由于其與地球相鄰,，是太陽(yáng)系里四顆類(lèi)地行星之一，在八大行星中,，火星又因與地球相似的環(huán)境狀況,，這顆紅色星球一度被認(rèn)為是人類(lèi)適宜遷徙的星球，甚至一度掀起了“移民火星”的探索熱潮,。
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NASA在小布什總統(tǒng)時(shí)期曾制定了載人登陸火星計(jì)劃,，時(shí)間是2030年前后。2010年,，美國(guó)總統(tǒng)貝拉克·奧巴馬在佛羅里達(dá)州肯尼迪航天中心宣布新太空探索計(jì)劃,，希望在21世紀(jì)30年代中期之前將宇航員送上火星。
對(duì)于移民火星最為推崇的人莫過(guò)于馬斯克,，他認(rèn)為既然地球不是人類(lèi)的永久家園,，那么有一天我們就要離開(kāi)地球去尋找新的家園，而火星就是那個(gè)最好的選擇,。因此他計(jì)劃未來(lái)用至少1000艘星艦飛船往火星移民100萬(wàn)人,。馬斯克還宣稱(chēng)，到時(shí)候人們可以從火星出發(fā)去往小行星帶,、木星和土星的衛(wèi)星上，以及柯伊伯帶,，實(shí)現(xiàn)真正的太空旅行,。
聽(tīng)起來(lái)確實(shí)很爽，但很多人也表示馬斯克正在導(dǎo)演一場(chǎng)“騙局”,，至少登陸火星還有很多致命的問(wèn)題很難攻克,，且不說(shuō)如何到達(dá)火星以及如何面對(duì)火星異常惡劣的地表環(huán)境與各種輻射危害，僅僅是我們所需要的氧氣從何而來(lái)呢,？
我們知道,，盡管火星周?chē)不\罩著大氣層，但它的大氣層的主要成分是二氧化碳,，其次是氮,、氬，此外還有可忽略不計(jì)的氧和水蒸氣。壓根就沒(méi)有可供人類(lèi)使用的氧氣,，從地球運(yùn)輸氧氣也不現(xiàn)實(shí),。
趕在馬斯克前，NASA在火星基地制氧氣技術(shù)取得成功
2020年7月30日,，美國(guó)從佛羅里達(dá)州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空了“毅力”號(hào)火星車(chē),，經(jīng)過(guò)近7個(gè)月的漫長(zhǎng)旅行，“毅力”號(hào)于2021年2月19日在火星杰澤羅隕石坑內(nèi)安全著陸,。
跟著“毅力”號(hào)一同登陸火星的還有一臺(tái)被稱(chēng)為“火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)”的設(shè)備（MOXIE）,。
據(jù)美國(guó)《紐約郵報(bào)》網(wǎng)站9月13日?qǐng)?bào)道，MOXIE于近日被認(rèn)定完成了這項(xiàng)制氧實(shí)驗(yàn)任務(wù),，并取得了成功,。
MOXIE于2019年被放入“毅力”號(hào)火星漫游車(chē)的底盤(pán)。圖片來(lái)源：NASA官網(wǎng)
NASA稱(chēng),，MOXIE只有烤面包機(jī)大小,，在第一次啟動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生了大約5克氧氣,，可供一名宇航員呼吸10分鐘,。雖然最初的產(chǎn)出并不高，但這一壯舉標(biāo)志著人類(lèi)首次從另一個(gè)星球的環(huán)境中直接提取可供人類(lèi)直接使用的自然資源,。
自跟隨“毅力”號(hào)登陸火星時(shí)起,，MOXIE便開(kāi)始產(chǎn)生氧氣，最高效時(shí),，MOXIE每小時(shí)能產(chǎn)生12克純度超過(guò)98%的氧氣,，這是NASA最初設(shè)置目標(biāo)的兩倍。而且,，在今年8月7日進(jìn)行的最后一次運(yùn)行中,，MOXIE產(chǎn)生了9.8克氧氣，足夠一名宇航員呼吸3個(gè)小時(shí),。在16次試驗(yàn)中,，MOXIE共成功產(chǎn)生了總計(jì)122克的氧氣，這個(gè)數(shù)量相當(dāng)于一只小狗呼吸10小時(shí)所需的氧氣量,。
這些進(jìn)展給人們帶來(lái)了希望：當(dāng)有朝一日地球不再適宜生存,，人類(lèi)或許真的可以移民到這個(gè)神秘的星球。
火星制氧,，陶瓷材料是主角,？
MOXIE是如何制得氧氣的呢？
原來(lái),，在火星表面,，MOXIE通過(guò)電化學(xué)過(guò)程從火星稀薄的大氣中分離出氧氣,。具體來(lái)說(shuō)，MOXIE吸入火星大氣,，將其加熱到一定溫度,，然后將其通過(guò)固體氧化物電解組件，首先CO2在陰極分解成氧離子和CO（CO可作為燃料被加以應(yīng)用）,，然后電解質(zhì)選擇性地將氧離子傳遞到陽(yáng)極,，在那里離子重新結(jié)合成O2，陰極排氣則是一氧化碳及惰性大氣氣體,。
MOXIE制氧設(shè)備的組成結(jié)構(gòu)圖（a）與內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化圖（b）
實(shí)現(xiàn)以上反應(yīng)的關(guān)鍵裝置又叫固體氧化物電解池（Solid Oxide ElectrolysisCell,，SOEC），單個(gè)SOEC主要由三部分組成,，致密的電解質(zhì),、多孔的陰極和陽(yáng)極，三者呈三明治結(jié)構(gòu),。在外電場(chǎng)的作用下,，CO2在SOEC陰極分解為CO和氧離子，氧離子通過(guò)電解質(zhì)中存在的氧空位傳遞到陽(yáng)極,，在陽(yáng)極失去電子生成氧氣,。其電極反應(yīng)如下：
CO2電解總反應(yīng):CO2=CO+1/2O2
陰極反應(yīng):CO2+2e−=CO+O2−
陽(yáng)極反應(yīng):O2-=1/2O2+2e−
單個(gè)SOEC的結(jié)構(gòu)與電解CO2過(guò)程示意圖
可以明顯的發(fā)現(xiàn)，SOEC與SOFC（固體氧化物燃料電池）名稱(chēng)很像,，其實(shí)兩者互為逆反應(yīng)原理,。近年來(lái)，隨著平板SOFC技術(shù)的快速發(fā)展,，其關(guān)鍵材料和技術(shù)可被直接用于SOEC,，這推動(dòng)了SOEC的發(fā)展，也使得SOEC電解技術(shù)引起廣泛的關(guān)注,。
這和我們要講的陶瓷有什么關(guān)系呢,？同SOFC一樣，SOEC的電解質(zhì),、多孔的陰極和陽(yáng)極三部分都涉及陶瓷材料,，這也正是SOFC又被稱(chēng)為陶瓷燃料電池的原因。
電解質(zhì)
電解質(zhì)是SOEC和SOFC的重要組件之一,，起到傳輸離子和導(dǎo)電以及隔絕陰陽(yáng)極，避免短路的作用,，因此,，需要其致密度接近100%，高溫下具有良好的氧化還原穩(wěn)定性,，以及較好的機(jī)械強(qiáng)度和離子電導(dǎo)率,。固體氧化物電解質(zhì)材料最早由Nernst在1899年發(fā)現(xiàn),，Nernst發(fā)現(xiàn)在ZrO2中摻雜金屬氧化物能夠均勻分散在ZrO2中，成為運(yùn)輸離子的載體,。目前,，在SOEC和SOFC研究中，氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）是商業(yè)化SOFC產(chǎn)品使用較多的一種電解質(zhì),，該材料在較大寬度的氧分壓內(nèi)均能保持較高的電導(dǎo)率,，在氧化還原的氣氛下也具有良好的穩(wěn)定性。尤其是摻雜量為8%的Y2O3穩(wěn)定的ZrO2（YSZ）是被最廣泛使用的電解質(zhì)材料,。
陰極材料
根據(jù)逆反應(yīng)原理,，SOEC陰極材料通常發(fā)展自SOFC陽(yáng)極材料。不同的是,，燃料極在SOFC中發(fā)生的是燃料的氧化反應(yīng),，而在SOEC中表現(xiàn)為CO的析出。陰極材料大致可以分為金屬陶瓷和鈣鈦礦氧化物兩大類(lèi),。
金屬陶瓷陰極是指由金屬和氧化物電解質(zhì)組成的復(fù)合電極,，其中金屬為電子傳輸相，氧化物為氧離子傳輸相,。其中,，氧化鋯是金屬陶瓷陰極材料的主要路線(xiàn)，例如Pt-YSZ,、Ni-YSZ,。
陽(yáng)極材料
SOEC中的陽(yáng)極對(duì)應(yīng)的是SOFC中的陰極，為了方便區(qū)分,，通常也統(tǒng)一稱(chēng)之為空氣極,。陽(yáng)極材料需要在氧氣氛圍中保持穩(wěn)定，和陰極一樣,，也必須具有多孔結(jié)構(gòu)和電子電導(dǎo)性,，而且在高溫下穩(wěn)定。
對(duì)于以ZrO2基材料為電解質(zhì)的SOEC,，使用最多的陽(yáng)極材料是鍶摻雜的LaMnO3（La1–xSrxMnO3,，LSM），因?yàn)閮烧叩臒崤蛎浵禂?shù)接近,，且具有較好的化學(xué)相容性,。
疑問(wèn)：這項(xiàng)技術(shù)能不能支撐大規(guī)模移民火星呢？
借助SOEC電解CO2技術(shù),，利用火星資源可完成宇航員呼吸以及返回地球的推進(jìn)劑和生命維持所需的O2的生產(chǎn),，這對(duì)于載人探索火星來(lái)說(shuō)的確是個(gè)很完美的技術(shù)，火星大氣是比較容易獲取的資源,，CO2占其組成的95.32%,，這為氧氣制備提供了充分的氧源,。
但是，小編有個(gè)疑問(wèn),，這項(xiàng)技術(shù)能不能支撐大規(guī)模移民火星用氧呢,？盡管CO2占火星大氣組成的95%以上，但是火星的大氣層是非常非常稀薄的,，這導(dǎo)致火星大氣中的CO2的總量并不十分豐富,，而人類(lèi)如果真要大規(guī)模移民火星，移民之前并不適宜提前采用此技術(shù)在火星上制造足夠的氧氣,。相反,，不但不能大量的使用CO2資源，反而還應(yīng)該在火星上補(bǔ)充CO2以使火星變暖,，以改善惡劣的生存環(huán)境,。因此，小編認(rèn)為,，這項(xiàng)技術(shù)用于宇航員登陸火星進(jìn)行探索工作完全沒(méi)問(wèn)題,，如果想用此技術(shù)大規(guī)模的改善火星的氧氣含量，仿佛并不是很有前途,。
當(dāng)然,，在一種情況下這項(xiàng)技術(shù)可在移民火星行動(dòng)中發(fā)揮作用，如可以讓前期移民火星的少部分人生活在特殊的大玻璃罩中,，與外部環(huán)境隔絕,，而只需改變玻璃罩內(nèi)有限的生存環(huán)境即可，這樣在短期內(nèi)就不用擔(dān)心氧氣和CO2資源的問(wèn)題了,。
參考來(lái)源：
[1]趙建軍等.固體氧化物電解CO2技術(shù)現(xiàn)狀與前景
[2]參考消息
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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