面向火星殖民的膜基萨巴捷系统：水回收与火箭推进剂生产的新策略

为解决长期太空探索中水资源和火箭燃料补给的高成本难题，研究人员开发了一种集成催化反应器与H2O蒸气选择性渗透膜的膜萨巴捷系统。该系统通过原位高效去除水分子，显著提升CO2转化率（99%）和CH4产率（1947 mmol g-1 h-1），并展现优异长期稳定性（10天无失活）及间歇供电适应性。该技术为星际探索中的资源循环利用提供了能源高效（65%能效）、结构紧凑的解决方案，标志着水与推进剂回收技术的突破性进展。

　　

随着SpaceX星舰以液态甲烷为推进剂成功实现软着陆，人类火星殖民的梦想正逐步走向现实。然而，长期太空旅行和地外定居面临一个巨大障碍：从地球发射补给物资的高昂成本。据估算，将1公斤物资送往国际空间站需耗费2.1万美元，而一名宇航员九个月火星任务所需的日常用水运输成本高达8,800万美元。更严峻的是，从火星返回地球需要约30吨液态甲烷，若从地球运输这些燃料，初始发射质量将高达500吨，成本约80亿美元。

面对这一挑战，科学家将目光投向原位资源利用（ISRU）技术，其中萨巴捷反应（CO₂ + 4H₂ → CH₄ + 2H₂O）成为关键解决方案。该反应不仅能将宇航员代谢产生的CO₂和电解水产生的H₂转化为饮用水和甲烷燃料，还可大幅降低从地球补给的需求，使航天器发射质量减少45%以上。然而，现有空间站应用的萨巴捷系统需依赖离心力实现气液分离，存在能耗高、机械可靠性差及噪音污染等问题。更重要的是，反应产物水会导致催化剂烧结和失活，制约系统长期稳定性。

针对这些难题，中国科学技术大学王占东团队在《Nature Communications》发表了一项创新研究，开发出集催化反应与膜分离于一体的膜萨巴捷系统。该系统通过NaA沸石膜实现水蒸气的原位高效分离，不仅突破热力学平衡限制提高反应效率，还显著增强系统稳定性和能源效率。

研究团队主要采用以下关键技术：首先通过水热合成法制备纳米NaA沸石晶种，并将其植入氧化铝陶瓷管表面形成选择性分离层；其次采用溶胶-凝胶法合成ZrO₂负载镍催化剂（Ni/ZrO₂），并通过X射线吸收精细结构（XAFS）和透射电镜（HRTEM）表征其界面电子结构；最后构建膜反应器系统，在1.15-10 bar压力范围和150-450°C温度条件下评估CO₂甲烷化性能，并通过气相色谱（GC）和硅胶捕集法分别分析气态产物和水渗透量。

合成与表征H₂O蒸气选择性渗透膜管

研究团队通过在厘米级陶瓷管上组装NaA沸石晶种制备选择性渗透膜。陶瓷中空管支撑体长50 mm，外径12 mm，内径8 mm，其粗糙表面有利于晶种附着。通过180°C热处理12小时，晶种与支撑体表面羟基脱水形成化学键合，随后在90°C合成溶液（摩尔组成1Al₂O₃:5SiO₂:50Na₂O:1000H₂O）中结晶20小时形成膜层。EDX元素映射和XRD谱图证实膜成功制备，膜厚约5 μm，水接触角测量验证其亲水性。

评估膜萨巴捷系统的分离性能

单气体渗透测试显示，膜管在200°C对CH₄、CO₂、CO和H₂的渗透率分别为2.75×10^-8、3.42×10^-8、1.97×10^-8和1.07×10^-7 mol m^-2 s^-1 Pa^-1，有效阻隔气体渗透。水蒸气渗透率在200-450°C范围内保持稳定（4.0-4.3×10^-6 mol m^-2 s^-1 Pa^-1），归因于Na⁺门控的水传导纳米通道。二元混合物测试中，膜管维持优异分离性能，水/气选择性最高达29.4倍。

ZrO₂负载Ni催化剂的制备与表征

通过溶胶-凝胶法制备的Ni/ZrO₂催化剂具有49.4 m²/g比表面积和4.5 nm平均介孔直径。HRTEM图像显示Ni纳米颗粒与ZrO₂支撑体形成清晰界面，晶格参数0.203 nm（Ni(111)）、0.330 nm（单斜ZrO₂(011)）和0.296 nm（立方ZrO₂(111)）。XPS和XAFS分析表明Ni价态介于0至+2之间，配位数7.4（低于Ni颗粒的12），证实金属-支撑体强相互作用（SMSI）。

萨巴捷系统在水回收与推进剂生产中的评估

在H₂:CO₂=4:1、空速16,000 mL g_cat^-1 h^-1条件下，膜反应器在150°C实现7% CO₂转化率（石英管仅2%），300°C时转化率达99%，超越热力学平衡转化率（95%），CH₄选择性100%。时空产率（STY）在342,857 mL g_cat^-1 h^-1空速下达1,947 mmol g^-1 h^-1。10天长期测试显示系统稳定性极佳，CO₂转化率保持96%，CH₄选择性100%。而石英管反应器因水致催化剂烧结（Ni氧化比例从0.36升至0.69）导致活性持续下降。

系统还展现优异抗干扰能力：三次启停循环（10小时运行/1小时停机）后活性完全恢复；H₂/CO₂比例从4降至2时仍维持99%选择性；10 bar高压下150°C转化率提升至16%（常压7%）；含O₂杂质（0.7%）时仅导致活性轻微下降。与文献报道的传统反应器和膜反应器相比，该系统在CO₂转化率和CH₄时空产率方面均达到领先水平。

通过Aspen Plus V11模拟计算，该系统结合水电解与甲烷化过程的总能效达65%，每生产1 kg CH₄耗能23.65 kWh。按火星日照条件（地球的43%），仅需11.5块标准太阳能板（2 m×1 m）即可满足日均产能需求。

该研究成功开发了一种催化膜萨巴捷系统，通过NaA沸石膜实现水蒸气原位高效分离，突破传统系统局限，达成CO₂转化率、CH₄产率和长期稳定性的显著提升。系统对间歇性供电的适应性与广泛反应条件兼容性，使其完美匹配太阳能电解制氢的波动特性。这项技术不仅为星际探索中的水与推进剂循环利用提供革命性解决方案，其紧凑设计、低能耗和高可靠性特点，也使其成为未来火星任务中原位资源利用系统的理想选择，为人类成为多行星物种迈出关键一步。