张晓虎|李光石|李长远|傅永康|程鹏|庞中亚|邹行立|徐倩|卢雄刚
上海大学材料科学与工程学院，上海，200444，中国
摘要
月球原位资源利用（ISRU）被认为是实现可持续深空探索的关键。作为月球表面主要的含铁矿物之一，钛铁矿（Fe2SiO4）对于提取金属铁以支持月球基地的建设具有重要意义。由于月球环境中还原剂的极度稀缺，本研究采用了一种无需使用任何还原剂即可通过激光真空热分解从钛铁矿中提取金属铁的方法。首先，通过热力学计算验证了通过激光真空热分解钛铁矿提取金属铁的可行性。随后，系统研究了激光功率和SiO2含量对热分解过程的影响。结果表明，将激光功率提高到1000 W时，挥发性产物中的金属铁产量提高了约17 wt%，产物微观结构显示出三个不同的特征区域。此外，观察到较高的SiO2含量促进了挥发性产物中金属铁的形成，在FeO与SiO2的质量比为1:1时，金属铁的产量达到了约16 wt%。最后，阐明了Fe2SiO4真空热分解的反应机理。
引言
随着深空探索和月球基地建设计划的逐步发展，原位资源利用（ISRU）已被认为是实现可持续、长期月球运营的关键技术[[1], [2], [3]]。金属铁因其在中材制造、生命支持系统建立以及能量存储/转换应用中的重要作用而被视为最具战略意义的元素[[4], [5], [6], [7], [8]]。月球表面广泛分布着含铁矿物，为同时提取铁和氧提供了丰富的资源基础[[9,10]]。目前，钛铁矿（ilmenite）被认为是提取铁和钛的主要目标[[11], [12], [13]]。然而，橄榄石（olivine）作为月球玄武岩中的主要造岩矿物，是通过陨石撞击和岩浆结晶过程形成的[[14], [15], [16]]。它在富含玄武岩的区域分布广泛且含量丰富[[17,18]]，显示出巨大的开发潜力。橄榄石的通用化学式为(Mg, Fe)2SiO4，表示为X2SiO4（其中X = Mg或Fe），属于硅酸盐矿物。富铁橄榄石的特点是含有大量的铁[[19], [20], [21], [22]]。与钛铁矿（FeTiO3）等简单的氧化物结构不同，橄榄石中的铁通过化学键牢固地结合在硅酸盐四面体框架内[[23]]。这种结构配置导致需要克服更高的化学能障碍才能有效还原和释放铁。因此，从橄榄石中提取金属铁和氧需要破坏其硅酸盐化学键[[24,25]]。目前，关于从橄榄石中提取金属铁的研究还非常有限。
已经进行了大量关于月球上铁的丰度和形态的研究[[26,27]]。发现由陨石撞击形成的橄榄石含量相对丰富[[28]]。为了模拟月球陨石撞击引起的空间风化作用，Yamada等人[[29]]进行了脉冲激光辐照、质子注入和联合处理实验。他们的结果表明，月球表面的风化程度取决于矿物成分，橄榄岩的最大反射率在激光辐照后显著降低。Sasaki等人的后续实验[[30]]表明，当橄榄石样品在真空条件下受到纳秒脉冲激光辐照（持续6-8 ns）时，在样品边缘的非晶区域形成了α-Fe纳米颗粒，这通过透射电子显微镜分析得到了证实。这些纳米颗粒与实际月球土壤样品中的纳米颗粒在形态和尺寸上有显著相似性，证明了无需使用还原剂即可生产金属铁的可行性。然而，铁的产量仍不足以进行准确量化。同时，Chakraborty等人[[31]]系统研究了(Fe, Mg)2SiO4在Fe-Mg固溶体系统中的扩散行为。橄榄石中的扩散主要通过点缺陷（尤其是阳离子空位）来介导。其扩散机制根据温度分为三种不同的情况：在非常高的温度和高纯度系统中，扩散是内在的，速率仅受温度和压力控制；在自然含铁橄榄石的中间温度下，扩散进入由杂价杂质（例如Fe3+）主导的外在机制，其速率取决于温度、压力和氧逸度；在低温下，扩散完全是由外在机制控制的，扩散速率主要取决于杂价杂质的预先浓度，并且对氧逸度的依赖性较弱。迄今为止，真空条件下橄榄石还原反应的热力学和动力学机制尚未得到系统研究。然而，阐明这些机制对于在月球上实现无还原剂金属铁提取至关重要。因此，本研究以钛铁矿为原料，使用连续波激光系统进行了真空热分解实验。
样品制备
本研究中使用的Fe2SiO4是通过高温固态反应合成的。具体来说，将2.5 mol高纯度铁粉（Fe，99.9 wt%）、2.5 mol氧化铁（Fe2O3，99.9 wt%）和3 mol二氧化硅（SiO2，99.99 wt%）充分混合并研磨30分钟。然后在氩气气氛下以1380°C的温度进行两次烧结，第一次烧结时间为180分钟，第二次为300分钟。烧结后，产物经过高强度处理
热力学分析
本研究使用FactSage 8.3软件计算了不同压力下Fe2SiO4分解反应的吉布斯自由能，结果如图2a–b所示，以评估从Fe2SiO4中提取金属的可行性。在常压条件下，热力学计算预测Fe2SiO4会在温度高于1940 K时分解为液态FeO和SiO2。当温度升至约3284 K时，液态SiO2预计会分解为气态SiO
结论
本研究采用激光真空热分解方法从Fe2SiO4中提取金属铁。热力学分析证实了这一过程的可行性。结果表明，在系统压力为1.0 × 10−3 Pa时，Fe2SiO4分解为FeO和SiO2，随后FeO的热分解产生了金属铁和氧。同时，在1000 W的激光功率下，挥发性产物中的金属铁产量达到了17.02%。
作者贡献声明
张晓虎：撰写——初稿。
李光石：项目管理、资金获取。
李长远：实验研究。
傅永康：数据管理。
程鹏：结果验证。
庞中亚：数据可视化。
邹行立：撰写——审稿与编辑。
徐倩：方法学设计。
卢雄刚：资金获取。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（编号：52574439、52334009）、国家重点研发计划（编号：2023YFB3712401）以及上海先进耐火材料国家重点实验室研究项目（编号：SKLAR-ZZ-2025-03）的支持。
