来聊聊MOXIE，毅力号上的制氧设备

最近火星探测很火，中国的天问，阿联酋的啥，还有美国的毅力号。这两天毅力号上的那个从CO2制取氧气的设备被大家广为转发，其中一个抖机灵的回答是说用CO2通过过氧化钠。想了下不至于这么简单，应该是一个可以重复使用的东西，正好最近在做化学链，联想到应该可以用化学链实现这个过程。今天查了下果然是这样，所以简单写个介绍。

首先看下毅力号的总体结构， 图来自于：https://planetaria.ca/2018/05/16/flying-in-martian-skies-nasas-2020-rover-mission-will-include-tiny-helicopter/。

其中靠近轮子的MOXIE，就是制氧设备

毅力号上的MOXIE采用了Ceramatec公司开发的固态氧化物电解（SOXE）技术，其核心部件是氧化钪稳定的氧化锆（ scandia-stabilized zirconia），还蛮绕口的。这个氧化钪稳定的氧化锆薄膜一边做成负载催化剂的阴极，另一边则是阳极。当CO2通过阴极的时候，CO2被夺取一个氧原子，被还原成CO。然后这些氧离子在固态氧化物中扩散到阳极，两两结合并失去电子生成氧气。3D打印的结果看还挺小的。而这个反应器其实是个百分之一大小的反应器，每小时能生成20g 纯度为99.6%的氧气，其实还挺可观的。

这个过程采用的是个堆叠式的反应器，如下图。能提供较大的反应面积。这种packed micro reactor似乎是最近的一个热点。

资料来源： https://www.nasa.gov/sites/default/files/atoms/files/fs_moxie_150908.pdf

说点题外话，其实还有别的方式来实现的。某些金属化合物在较高的温度和较低的O2分压力下会释放出氧气，变成价态更低的氧化物。化学链氧解耦（CLOU）就是利用这样的原理。可用的金属有铜，锰，钴等，化学反应方程式如下：

而有的金属，则可以和二氧化碳反应，或者说被二氧化碳氧化。回想中学化学的知识，高炉炼钢的尾气就含有大量CO，铁就是一个典型的能被二氧化碳氧化的金属。

另一个可用的东西叫做非化学计量氧化物。一般金属氧化物都是MOx的形式，但是非化学计量氧化物则可能是MO(x-δ)的形式。常用的有铈的氧化物二氧化铈CeO2，这种氧化物在养分压力很低温度很高的时候就会释放出氧气，自己变成了CeO(2-δ)。它的结构基本保持不变，失去的氧就失去了，留下一个空洞在那儿，被叫做氧空位(oxygen vacancy)。然后在温度低一些的并且气氛中充满二氧化碳的时候，这个CeO(2-δ)又会夺去CO2中的氧原子，自己变回CeO2，CO2就变成了CO。

好了，重复这个过程，CeO(2-δ)先和CO2反应，生成CeO2。然后再加热CeO2，氧气就释放出来了。这个过程其实也被用于太阳能制氢，把CO2换成H2O就可以了。当年第一次看到ETH 有老板做这个的时候，觉得好牛逼的东西啊，后面看多了也就习惯了。

顺便提一句，CeO2这个东西现在被研究用于非常多的过程，普遍程度和石墨烯有得一拼，但是Ce本身是个稀土金属，成本挺高的。

写了这篇文章，发现化学链这个东西在CO2利用上其实还挺有用的。。