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人类移民火星，氧气从何而来？陶瓷或将成为最最最关键的材料！！！

来源：世展网分类：粉体工业行业资讯 2023-10-22 10:05 阅读：3434

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相约！第六届新型陶瓷高峰论坛

【重磅会议】陶瓷会议

火星是一个充满神秘与未知的星球，它是距离太阳第四近的行星，也是太阳系中仅次于水星的第二小的行星。随着在月球上留下足迹之后，人类对神秘的火星充满了好奇。由于其与地球相邻，是太阳系里四颗类地行星之一，在八大行星中，火星又因与地球相似的环境状况，这颗红色星球一度被认为是人类适宜迁徙的星球，甚至一度掀起了“移民火星”的探索热潮。

图片来源：pixabay

NASA在小布什总统时期曾制定了载人登陆火星计划，时间是2030年前后。2010年，美国总统贝拉克·奥巴马在佛罗里达州肯尼迪航天中心宣布新太空探索计划，希望在21世纪30年代中期之前将宇航员送上火星。对于移民火星最为推崇的人莫过于马斯克，他认为既然地球不是人类的永久家园，那么有一天我们就要离开地球去寻找新的家园，而火星就是那个最好的选择。因此他计划未来用至少1000艘星舰飞船往火星移民100万人。马斯克还宣称，到时候人们可以从火星出发去往小行星带、木星和土星的卫星上，以及柯伊伯带，实现真正的太空旅行。听起来确实很爽，但很多人也表示马斯克正在导演一场“骗局”，至少登陆火星还有很多致命的问题很难攻克，且不说如何到达火星以及如何面对火星异常恶劣的地表环境与各种辐射危害，仅仅是我们所需要的氧气从何而来呢？我们知道，尽管火星周围也笼罩着大气层，但它的大气层的主要成分是二氧化碳，其次是氮、氩，此外还有可忽略不计的氧和水蒸气。压根就没有可供人类使用的氧气，从地球运输氧气也不现实。

赶在马斯克前

NASA在火星基地制氧气技术取得成功

2020年7月30日，美国从佛罗里达州卡纳维拉尔角空军基地发射升空了“毅力”号火星车，经过近7个月的漫长旅行，“毅力”号于2021年2月19日在火星杰泽罗陨石坑内安全着陆。跟着“毅力”号一同登陆火星的还有一台被称为“火星氧气原位资源利用实验”的设备（MOXIE）。据美国《纽约邮报》网站9月13日报道，MOXIE于近日被认定完成了这项制氧实验任务，并取得了成功。

MOXIE于2019年被放入“毅力”号火星漫游车的底盘。图片来源：NASA官网

NASA称，MOXIE只有烤面包机大小，在第一次启动时，产生了大约5克氧气，可供一名宇航员呼吸10分钟。虽然最初的产出并不高，但这一壮举标志着人类首次从另一个星球的环境中直接提取可供人类直接使用的自然资源。自跟随“毅力”号登陆火星时起，MOXIE便开始产生氧气，最高效时，MOXIE每小时能产生12克纯度超过98%的氧气，这是NASA最初设置目标的两倍。而且，在今年8月7日进行的最后一次运行中，MOXIE产生了9.8克氧气，足够一名宇航员呼吸3个小时。在16次试验中，MOXIE共成功产生了总计122克的氧气，这个数量相当于一只小狗呼吸10小时所需的氧气量。这些进展给人们带来了希望：当有朝一日地球不再适宜生存，人类或许真的可以移民到这个神秘的星球。

火星制氧

陶瓷材料是主角？

MOXIE是如何制得氧气的呢？原来，在火星表面，MOXIE通过电化学过程从火星稀薄的大气中分离出氧气。具体来说，MOXIE吸入火星大气，将其加热到一定温度，然后将其通过固体氧化物电解组件，首先CO₂在阴极分解成氧离子和CO（CO可作为燃料被加以应用），然后电解质选择性地将氧离子传递到阳极，在那里离子重新结合成O₂，阴极排气则是一氧化碳及惰性大气气体。

MOXIE制氧设备的组成结构图（a）与内部结构简化图（b）

实现以上反应的关键装置又叫固体氧化物电解池（Solid Oxide ElectrolysisCell，SOEC），单个SOEC主要由三部分组成，致密的电解质、多孔的阴极和阳极，三者呈三明治结构。在外电场的作用下，CO₂在SOEC阴极分解为CO和氧离子，氧离子通过电解质中存在的氧空位传递到阳极，在阳极失去电子生成氧气。其电极反应如下：CO₂电解总反应:CO₂=CO+1/2O₂阴极反应:CO₂+2e=CO+O²阳极反应:O^2-=1/2O₂+2e

单个SOEC的结构与电解CO₂过程示意图

可以明显的发现，SOEC与SOFC（固体氧化物燃料电池）名称很像，其实两者互为逆反应原理。近年来，随着平板SOFC技术的快速发展，其关键材料和技术可被直接用于SOEC，这推动了SOEC的发展，也使得SOEC电解技术引起广泛的关注。这和我们要讲的陶瓷有什么关系呢？同SOFC一样，SOEC的电解质、多孔的阴极和阳极三部分都涉及陶瓷材料，这也正是SOFC又被称为陶瓷燃料电池的原因。

电解质

电解质是SOEC和SOFC的重要组件之一，起到传输离子和导电以及隔绝阴阳极，避免短路的作用，因此，需要其致密度接近100%，高温下具有良好的氧化还原稳定性，以及较好的机械强度和离子电导率。固体氧化物电解质材料最早由Nernst在1899年发现，Nernst发现在ZrO₂中掺杂金属氧化物能够均匀分散在ZrO₂中，成为运输离子的载体。目前，在SOEC和SOFC研究中，氧化钇稳定氧化锆（YSZ）是商业化SOFC产品使用较多的一种电解质，该材料在较大宽度的氧分压内均能保持较高的电导率，在氧化还原的气氛下也具有良好的稳定性。尤其是掺杂量为8%的Y₂O₃稳定的ZrO₂（YSZ）是被最广泛使用的电解质材料。

阴极材料

根据逆反应原理，SOEC阴极材料通常发展自SOFC阳极材料。不同的是，燃料极在SOFC中发生的是燃料的氧化反应，而在SOEC中表现为CO的析出。阴极材料大致可以分为金属陶瓷和钙钛矿氧化物两大类。金属陶瓷阴极是指由金属和氧化物电解质组成的复合电极，其中金属为电子传输相，氧化物为氧离子传输相。其中，氧化锆是金属陶瓷阴极材料的主要路线，例如Pt-YSZ、Ni-YSZ。

阳极材料

SOEC中的阳极对应的是SOFC中的阴极，为了方便区分，通常也统一称之为空气极。阳极材料需要在氧气氛围中保持稳定，和阴极一样，也必须具有多孔结构和电子电导性，而且在高温下稳定。对于以ZrO₂基材料为电解质的SOEC，使用最多的阳极材料是锶掺杂的LaMnO₃（La_1–xSr_xMnO₃，LSM），因为两者的热膨胀系数接近，且具有较好的化学相容性。

疑问：

这项技术能不能支撑大规模移民火星呢？

借助SOEC电解CO₂技术，利用火星资源可完成宇航员呼吸以及返回地球的推进剂和生命维持所需的O₂的生产，这对于载人探索火星来说的确是个很完美的技术，火星大气是比较容易获取的资源，CO₂占其组成的95.32%，这为氧气制备提供了充分的氧源。但是，小编有个疑问，这项技术能不能支撑大规模移民火星用氧呢？尽管CO₂占火星大气组成的95%以上，但是火星的大气层是非常非常稀薄的，这导致火星大气中的CO₂的总量并不十分丰富，而人类如果真要大规模移民火星，移民之前并不适宜提前采用此技术在火星上制造足够的氧气。相反，不但不能大量的使用CO₂资源，反而还应该在火星上补充CO₂以使火星变暖，以改善恶劣的生存环境。因此，小编认为，这项技术用于宇航员登陆火星进行探索工作完全没问题，如果想用此技术大规模的改善火星的氧气含量，仿佛并不是很有前途。当然，在一种情况下这项技术可在移民火星行动中发挥作用，如可以让前期移民火星的少部分人生活在特殊的大玻璃罩中，与外部环境隔绝，而只需改变玻璃罩内有限的生存环境即可，这样在短期内就不用担心氧气和CO₂资源的问题了。

参考来源：[1]赵建军等.固体氧化物电解CO₂技术现状与前景[2]参考消息

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2023第六届新型陶瓷技术与产业高峰论坛

据统计，先进陶瓷产业每年以8%左右的增长速度高速发展，全球先进陶瓷产业已达到数万亿级的市场规模，我国已成为全球最大的先进陶瓷消费市场，而我国陶瓷企业市场份额却仅占全球10%～15%。无论是中国市场还是国际市场对先进陶瓷粉体与产品需求将持续强劲，中国先进陶瓷企业仍然具有很多发展机会和潜力，国产替代已将成为产业链的必然发展趋势。随着技术进步，陶瓷滤波器、高温结构陶瓷、生物陶瓷、陶瓷膜等一系列先进陶瓷的研究成果和新产品不断涌现，并呈现出良好的产业化应用前景；5G、新能源汽车、半导体等新兴市场的崛起又带来了崭新的应用方向。可以看见，先进陶瓷材料在新兴产业和传统产业改造中发挥越来越大的作用，各种功能的不断发掘与应用领域的多元化将使得先进陶瓷作为现代工业基础支撑材料的地位日益显著。在此背景下，中国粉体网将于2023年12月在湖北宜昌举办“第六届新型陶瓷技术与产业高峰论坛”，旨在与国内外新型陶瓷产业链人士共同交流前沿技术，沟通行业信息，助力科研单位成果转化，帮助企业寻找新的市场方向。大会热诚欢迎国内外相关领域的专家、学者、科研人员、企业界代表积极参会，同时欢迎公司、企事业单位展示技术成果，洽谈产、学、研合作。

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