中國粉體網(wǎng)訊  火星是一個(gè)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(duì)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(rèn)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(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于馬斯克，他認(rèn)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(gè)最好的選擇。因此他計(jì)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(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。

聽起來確實(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題很難攻克，且不說如何到達(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(jì)的氧和水蒸氣。壓根就沒有可供人類使用的氧氣，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，經(jīng)過近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)被稱為“火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)”的設(shè)備（MOXIE）。

據(jù)美國《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)火星漫游車的底盤。圖片來源：NASA官網(wǎng)

NASA稱，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)志著人類首次從另一個(gè)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(hào)登陸火星時(shí)起，MOXIE便開始產(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)展給人們帶來了希望：當(dāng)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(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，在火星表面，MOXIE通過電化學(xué)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(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(gè)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(shí)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(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(dǎo)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(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(duì)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(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，使用最多的陽極材料是鍶摻雜的LaMnO₃（La_1–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：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)于載人探索火星來說的確是個(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，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(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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