中國粉體網(wǎng)訊 火星是一個充滿神秘與未知的星球，它是距離太陽第四近的行星，也是太陽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，人類對神秘的火星充滿了好奇。由于其與地球相鄰，是太陽系里四顆類地行星之一，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為是人類適宜遷徙的星球，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)時期曾制定了載人登陸火星計劃，時間是2030年前后。2010年，美國總統(tǒng)貝拉克·奧巴馬在佛羅里達州肯尼迪航天中心宣布新太空探索計劃，希望在21世紀30年代中期之前將宇航員送上火星。
對于移民火星最為推崇的人莫過于馬斯克，他認為既然地球不是人類的永久家園，那么有一天我們就要離開地球去尋找新的家園，而火星就是那個最好的選擇。因此他計劃未來用至少1000艘星艦飛船往火星移民100萬人。馬斯克還宣稱，到時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，實現(xiàn)真正的太空旅行。
聽起來確實很爽，但很多人也表示馬斯克正在導演一場“騙局”，至少登陸火星還有很多致命的問題很難攻克，且不說如何到達火星以及如何面對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呢？
我們知道，盡管火星周圍也籠罩著大氣層，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的氧和水蒸氣。壓根就沒有可供人類使用的氧氣，從地球運輸氧氣也不現(xiàn)實。
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，美國從佛羅里達州卡納維拉爾角空軍基地發(fā)射升空了“毅力”號火星車，經(jīng)過近7個月的漫長旅行，“毅力”號于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”號一同登陸火星的還有一臺被稱為“火星氧氣原位資源利用實驗”的設(shè)備（MOXIE）。
據(jù)美國《紐約郵報》網(wǎng)站9月13日報道，MOXIE于近日被認定完成了這項制氧實驗任務(wù)，并取得了成功。
MOXIE于2019年被放入“毅力”號火星漫游車的底盤。圖片來源：NASA官網(wǎng)
NASA稱，MOXIE只有烤面包機大小，在第一次啟動時，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，但這一壯舉標志著人類首次從另一個星球的環(huán)境中直接提取可供人類直接使用的自然資源。
自跟隨“毅力”號登陸火星時起，MOXIE便開始產(chǎn)生氧氣，最高效時，MOXIE每小時能產(chǎn)生12克純度超過98%的氧氣，這是NASA最初設(shè)置目標的兩倍。而且，在今年8月7日進行的最后一次運行中，MOXIE產(chǎn)生了9.8克氧氣，足夠一名宇航員呼吸3個小時。在16次試驗中，MOXIE共成功產(chǎn)生了總計122克的氧氣，這個數(shù)量相當于一只小狗呼吸10小時所需的氧氣量。
這些進展給人們帶來了希望：當有朝一日地球不再適宜生存，人類或許真的可以移民到這個神秘的星球。
火星制氧，陶瓷材料是主角？
MOXIE是如何制得氧氣的呢？
原來，在火星表面，MOXIE通過電化學過程從火星稀薄的大氣中分離出氧氣。具體來說，MOXIE吸入火星大氣，將其加熱到一定溫度，然后將其通過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)簡化圖（b）
實現(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SOEC主要由三部分組成，致密的電解質(zhì)、多孔的陰極和陽極，三者呈三明治結(jié)構(gòu)。在外電場的作用下，CO2在SOEC陰極分解為CO和氧離子，氧離子通過電解質(zhì)中存在的氧空位傳遞到陽極，在陽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−
陽極反應(yīng):O2-=1/2O2+2e−
單個SOEC的結(jié)構(gòu)與電解CO2過程示意圖
可以明顯的發(fā)現(xiàn)，SOEC與SOFC（固體氧化物燃料電池）名稱很像，其實兩者互為逆反應(yīng)原理。近年來，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)、多孔的陰極和陽極三部分都涉及陶瓷材料，這也正是SOFC又被稱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，起到傳輸離子和導電以及隔絕陰陽極，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，以及較好的機械強度和離子電導率。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。
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，例如Pt-YSZ、Ni-YSZ。
陽極材料
SOEC中的陽極對應(yīng)的是SOFC中的陰極，為了方便區(qū)分，通常也統(tǒng)一稱之為空氣極。陽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)和電子電導性，而且在高溫下穩(wěn)定。
對于以ZrO2基材料為電解質(zhì)的SOEC，使用最多的陽極材料是鍶摻雜的LaMnO3（La1–xSrxMnO3，LSM），因為兩者的熱膨脹系數(shù)接近，且具有較好的化學相容性。
疑問：這項技術(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劑和生命維持所需的O2的生產(chǎn)，這對于載人探索火星來說的確是個很完美的技術(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，小編有個疑問，這項技術(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，這導致火星大氣中的CO2的總量并不十分豐富，而人類如果真要大規(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)該在火星上補充CO2以使火星變暖，以改善惡劣的生存環(huán)境。因此，小編認為，這項技術(shù)用于宇航員登陸火星進行探索工作完全沒問題，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。
當然，在一種情況下這項技術(shù)可在移民火星行動中發(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)就不用擔心氧氣和CO2資源的問題了。
參考來源：
[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
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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