电子回旋波共振氢等离子体还原α-Fe2 O3 ：月球原位资源利用的高效氧提取技术

为解决月球定居中氧气和水资源短缺问题，研究人员利用电子回旋波共振（ECWR）氢等离子体还原α-Fe2 O3 薄膜，发现其能量效率比传统热还原高6倍，为月球原位资源利用（ISRU）提供了低温高效的新方法。

　　

月球探索的可持续发展面临关键挑战：如何就地获取氧气和水？传统热还原法需900-1100°C高温且效率不足5%，而月球极端环境要求低温、低能耗的解决方案。电子回旋波共振（ECWR）等离子体技术因其高电子密度和原子氢产率，成为突破性选择。

研究人员通过射频磁控溅射制备480 nm α-Fe₂
O₃
薄膜，利用ECWR氢/氩等离子体在7×10^-3
mbar低压下进行还原。结合变角度X射线衍射（GI-XRD）、二次离子质谱（SIMS）和扫描透射电镜-电子能量损失谱（STEM-EELS）等技术，揭示了还原动力学机制。

3.1 等离子体特性分析
光学发射光谱（OES）检测到氢原子巴尔默线系（Hα 656 nm）和分子氢富尔彻带，证实ECWR源高效解离H₂
的能力。

3.2 时间依赖性还原
15分钟处理即在表面形成金属铁层（Fe），随处理时间延长，中间层Fe₃
O₄
逐渐向体相扩展。SIMS显示氧铁比（O/Fe）从表面向基底呈阶梯式下降，TEM-SAED证实三明治结构：表层多孔Fe（110晶面）、中间Fe₃
O₄
（311晶面）和底层未反应Fe₂
O₃
。

3.3 温度效应
400°C加热使薄膜完全转化为金属铁，700°C时铁层发生岛状团聚。EELS分析Fe L₃
边位移（711.3 eV→709.8 eV）直接反映铁价态变化。

3.4 能量效率对比
ECWR在160°C下氧提取能耗仅0.244 Wh/μg，较700°C热还原（1.512 Wh/μg）效率提升6倍，归因于原子氢的高反应活性与低温协同效应。

讨论指出，金属铁表面对原子氢的复合作用限制了低温下的体相还原，而加热促进氢扩散可突破此瓶颈。该研究为月球铁钛矿（FeTiO₃
）还原提供了机理模型，其低压操作特性适配月球真空环境。未来需开发流化床反应器（FBR）处理粉体物料，并构建氢循环系统以实现闭环生产。发表于《Vacuum》的这项工作，不仅推动太空资源利用，也为地球绿色冶金提供了氢等离子体替代碳还原的技术路径。