專利名稱：一種利用月球表面土壤原位制氧氣的新方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及深空探測(cè)中，利用月球表層土壤直接制備氧氣，供宇航員呼吸及飛船 動(dòng)力原料使用。特別涉及以模擬月球表面土壤為陰極，該方法采用Sn摻雜的In2O3(ITO), SnO2, CaMO3(M為Ti，Ru, Rh)及其復(fù)合物為惰性陽極，采用熔鹽電解直接從模擬月球表面土 壤中制備出氧氣的新技術(shù)。
背景技術(shù)：
月球因其蘊(yùn)藏著豐富的礦產(chǎn)和能源而成為一個(gè)取之不盡，用之不竭的能源寶庫。 飛到月亮上去，這是人類千百年來的夢(mèng)想。1969年美國(guó)宇航局發(fā)射的“阿波羅”載人登月 飛船的首次成功登月使飛天奔月的千年夢(mèng)想變成了現(xiàn)實(shí)。隨著空間技術(shù)的發(fā)展，北京時(shí)間 2007年10月24日18時(shí)05分左右，由中國(guó)自主研制、發(fā)射的第一個(gè)月球探測(cè)器“嫦娥一號(hào)” 在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射。過去近半個(gè)世紀(jì)，人類向月球發(fā)射的太空飛船重量的85% 都是用作飛船燃料供應(yīng)的氧氣。伴隨著人類向月球的不斷探測(cè)，如何大量制取飛船燃料供 應(yīng)所需的氧氣成為一個(gè)亟待解決的問題。由于月球表面的低引力，使得呼吸這一在地球上最自然不過的事情卻成為了月球 上的一大難題。對(duì)人類而言，無論是目前發(fā)射的太空飛船抑或是有朝一日在月球開辟一塊 立足之地，面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)就是如何解決氧氣這一難題。人為向月球運(yùn)輸氧氣成本極 其昂貴，但是如果我們通過某種方式可以在月球上得到氧氣，問題自然迎刃而解?！鞍⒉_” 登月飛船曾帶回了在月球表面采集的巖層試樣，科學(xué)家分析發(fā)現(xiàn)月球表面的巖層中富含一 種名為鐵鈦酸的礦物，該礦物在月球表面大量存在且含有大量氧元素。換句話說，月球上存 在大量氧元素，但是不是以氧氣形式，而是以化合的方式存在于礦物中?，F(xiàn)在問題轉(zhuǎn)化為是 否有可能把巖層中的氧以氧氣形式提取出來。文獻(xiàn)US Pat. No. 5536378報(bào)道了采用氫氣還原鐵鈦酸在月球表層制備氧氣的方 法。實(shí)際上，如何充分在月球表面利用太陽能完成宇航員的科學(xué)考察任務(wù)則顯的尤為主要， 太陽能可被簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換為電能，因此如果可以采用電化學(xué)的方法在月球表層直接制備氧氣 將是一種有效途徑，迄今為止的報(bào)道依舊不能確定月球表層是否有類水資源存在。本世紀(jì)初期，英國(guó)劍橋大學(xué)以D. J. Fray為首的研究小組提出了 一種以TiO2 為原料在熔融氯化鈣中陰極脫氧生產(chǎn)金屬鈦的新工藝(文獻(xiàn)G. Z.Chen，D. J. Fray, Τ. W. Farthing. Direct electrochemical reduction of titanium dioxide to titanium in molten calcium chloride. Nature, 407 (2000) :361_364)。由此,金屬氧化物直接電解 生產(chǎn)純金屬成為全球冶金行業(yè)的研究熱點(diǎn)。后續(xù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)證明絕大多數(shù)金屬氧化物中的 氧都可以通過這種電化學(xué)方法脫除。上述電化學(xué)陰極脫氧工藝使用的都是消耗性石墨陽 極，電解過程中陰極所含的氧離子化后以02_形式溶進(jìn)熔鹽，通過熔鹽遷移到陽極并在陽極 放電與石墨結(jié)合成CO和(或)CO2氣體，同時(shí)陰極得到相應(yīng)的金屬或合金。本發(fā)明提供一種新技術(shù)，該技術(shù)基于熔鹽脫氧，采用惰性陽極對(duì)模擬月球表層土 壤進(jìn)行電解，有效地將月球表層土壤中富含的金屬氧化物轉(zhuǎn)換為氧氣。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種以月球表層土壤為原料，采用熔鹽電解直接原位制 備氧氣的新方法。本發(fā)明以表1中所示的月球表層土壤中各種主要氧化物為原料，將原料氧化物均 勻混合后壓制成片狀，在800 1400°C溫度范圍內(nèi)燒結(jié)后，和金屬集流體連接作為陰極，以 鹵化物熔鹽為電解液，以Sn摻雜的In2O3(ITO)，SnO2, CaMO3(M為Ti，Ru，Rh)及其復(fù)合物為 惰性陽極，在600 1200°C溫度范圍內(nèi)進(jìn)行電解，通過在線分析技術(shù)分析陽極是否有氧氣 析出。電解過程中其陰、陽極反應(yīng)可表述為陰極:N0x+2xe — Ν+χ02_(其中 N 為 Si、Al、Ca、Fe、Mg 和 Ti)陽極x02- — x/202+2xe表1月球表層土壤組成
權(quán)利要求
一種利用月球表面土壤原位制氧氣的新方法，其特征在于，包括以下步驟(1)以月球表層土壤中各主要氧化物SiO2、Al2O3、CaO、FeO、MgO、TiO2的含量為依據(jù)，配制模擬月球表層土壤，以10kg/cm2～1000kg/cm2的壓力成型，成型壓力優(yōu)選100kg/cm2～400kg/cm2；在800℃～1600℃的溫度范圍內(nèi)在空氣氣氛中燒結(jié)，燒結(jié)后的塊體和金屬絲連接作為陰極；(2)選Sn摻雜的In2O3或ITO，SnO2，CaMO3及其復(fù)合物為惰性陽極，其中，M為Ti或Ru或Rh；(3)將由上述步驟(1)，(2)制備好的的陰極、陽極，并選擇堿金屬或堿土金屬鹵化物熔鹽體系作為電解液組成電解池，在400℃～1200℃的溫度下電解；(4)電解槽電壓范圍分別為2～3V；電解時(shí)間為4～100小時(shí)；電解的同時(shí)采用氣體在線監(jiān)測(cè)方法分析陽極氧氣析出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用月球表面土壤原位制氧氣的新方法，其特征在于， 所述步驟(1)中使用的金屬絲為鈦或碳鋼或鎳。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種利用月球表面土壤原位制氧氣的新方法，其特征在 于，所述步驟(3)中的堿金屬或堿土金屬鹵化物熔鹽體系為氟化物或氯化物。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種利用月球表面土壤原位制氧氣的新方法，其特征在于， 所述步驟(3)中的堿金屬或堿土金屬鹵化物熔鹽體系為CaCl2基共晶體系。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種利用月球表面土壤原位制氧氣的新方法，其特征在于， 所述步驟(4)中，電解槽電壓范圍為2. 4 3. 0V。
全文摘要
一種利用月球表面土壤原位制氧氣的新方法，包括以下步驟以月球表層土壤中各主要氧化物的含量為依據(jù)，配制模擬月球表層土壤，壓力成型；在800℃～1600℃的溫度范圍內(nèi)在空氣氣氛中燒結(jié),燒結(jié)后的塊體和金屬絲連接作為陰極；選Sn摻雜的In2O3或ITO，SnO2，CaMO3及其復(fù)合物為惰性陽極,將由上述步驟制備好的陰極、陽極，并選擇堿金屬或堿土金屬鹵化物熔鹽體系作為電解液組成電解池電解；電解槽電壓范圍分別為2~3V；電解時(shí)間為4~100小時(shí)；電解的同時(shí)采用氣體在線監(jiān)測(cè)方法分析陽極氧氣析出。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于直接以月球表層土壤為原料，利用太陽能轉(zhuǎn)化后的電能直接在月球表層原位制備氧氣。
文檔編號(hào)C25B1/02GK101956203SQ201010524038
公開日2011年1月26日 申請(qǐng)日期2010年10月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月28日
發(fā)明者張琳琳, 朱鴻民, 焦樹強(qiáng) 申請(qǐng)人:北京科技大學(xué)