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近年來，聚光太陽能利用逐漸成為能源領域中的國際前沿熱點。太陽能熱化學循環制取太陽能燃料被認為是最具發展前景的聚光太陽能熱利用方式之一。

聚(ju)(ju)光(guang)(guang)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)可(ke)實現(xian)不同聚(ju)(ju)光(guang)(guang)比(bi)條件下驅(qu)動碳氫燃料參與的化學(xue)(xue)反應(ying)，實現(xian)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)互補系統的燃料轉化。太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)燃料制(zhi)備的主(zhu)要瓶頸是熱(re)化學(xue)(xue)循環反應(ying)溫度(du)高、輻射熱(re)損失(shi)(shi)大、不可(ke)逆損失(shi)(shi)嚴重，導致能(neng)(neng)量轉換(huan)效率低(di)。為解決該瓶頸，中國(guo)科(ke)學(xue)(xue)院工程(cheng)熱(re)物理(li)研究所分布式供能(neng)(neng)與可(ke)再(zai)生能(neng)(neng)源實驗室提出了聚(ju)(ju)光(guang)(guang)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)(neng)化學(xue)(xue)鏈循環方法。

該方法(fa)主要原(yuan)理如下：天然氣在聚光太陽能作(zuo)用(yong)下還(huan)(huan)原(yuan)載(zai)氧(yang)體生成CO和H?，被還(huan)(huan)原(yuan)的(de)(de)載(zai)氧(yang)體與空(kong)氣等反應(ying)(ying)進行載(zai)氧(yang)體的(de)(de)再(zai)生，CO和H?即為所(suo)需的(de)(de)太陽能燃(ran)料。上(shang)(shang)述(shu)方法(fa)可將熱化學(xue)反應(ying)(ying)溫度從1000℃以上(shang)(shang)降低(di)至600℃左右，不(bu)(bu)僅能降低(di)太陽能集熱島的(de)(de)輻射熱損(sun)失，還(huan)(huan)能降低(di)熱化學(xue)反應(ying)(ying)的(de)(de)不(bu)(bu)可逆損(sun)失，具有將太陽能利用(yong)效率提(ti)升約5~10%的(de)(de)潛力。

高(gao)反應轉(zhuan)化率(lv)(lv)(lv)和循(xun)(xun)(xun)環(huan)穩(wen)定(ding)性(xing)的載(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)材料是實現聚光太陽能(neng)化學(xue)(xue)鏈制(zhi)(zhi)取(qu)太陽能(neng)燃料的關(guan)鍵。為提高(gao)燃料轉(zhuan)化率(lv)(lv)(lv)與(yu)合(he)成氣(qi)選擇性(xing)，中(zhong)國科學(xue)(xue)院(yuan)工(gong)程熱物理研(yan)究所分布式研(yan)究團隊(dui)與(yu)美國北卡羅來納州(zhou)立大(da)學(xue)(xue)、西(xi)佛吉(ji)尼亞大(da)學(xue)(xue)研(yan)究團隊(dui)合(he)作，研(yan)制(zhi)(zhi)了高(gao)反應性(xing)、高(gao)選擇性(xing)的復(fu)合(he)離子(zi)(zi)電子(zi)(zi)導體(ti)(ti)(ti)（MIEC）載(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)，并深入探索了復(fu)合(he)離子(zi)(zi)電子(zi)(zi)導體(ti)(ti)(ti)載(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)的循(xun)(xun)(xun)環(huan)反應性(xing)。與(yu)單獨離子(zi)(zi)電子(zi)(zi)導體(ti)(ti)(ti)載(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)相比，新型(xing)復(fu)合(he)載(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)可將(jiang)反應轉(zhuan)化率(lv)(lv)(lv)從~20%提升至90%以上，且(qie)達到接(jie)近100%的合(he)成氣(qi)選擇性(xing)；復(fu)合(he)載(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)在50次循(xun)(xun)(xun)環(huan)反應中(zhong)具有較高(gao)的循(xun)(xun)(xun)環(huan)穩(wen)定(ding)性(xing)。

為進一步提(ti)高循(xun)(xun)(xun)(xun)環(huan)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)性(xing)、降低反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)溫(wen)度，中國科(ke)學院工程(cheng)熱(re)物理研究所分(fen)(fen)布式研究團(tuan)隊從反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)分(fen)(fen)離以(yi)及工藝流程(cheng)優化(hua)(hua)(hua)(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)思路入手，通(tong)過反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)設計和反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)循(xun)(xun)(xun)(xun)環(huan)的(de)(de)(de)(de)(de)分(fen)(fen)離過程(cheng)對化(hua)(hua)(hua)(hua)學鏈制氫反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)的(de)(de)(de)(de)(de)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)路徑進行優化(hua)(hua)(hua)(hua)，進一步實現(xian)(xian)了(le)(le)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)性(xing)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)提(ti)升。團(tuan)隊研發了(le)(le)多(duo)孔蜂窩型化(hua)(hua)(hua)(hua)學鏈反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)器(qi)，并研究了(le)(le)Ni基載氧體在該反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)器(qi)上的(de)(de)(de)(de)(de)天然(ran)氣(qi)化(hua)(hua)(hua)(hua)學鏈制氫反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)性(xing)能(neng)。與(yu)(yu)(yu)傳(chuan)統的(de)(de)(de)(de)(de)甲(jia)烷(wan)(wan)重整反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)制氫(約800℃)相(xiang)比，通(tong)過化(hua)(hua)(hua)(hua)學鏈循(xun)(xun)(xun)(xun)環(huan)方(fang)法可(ke)將反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)溫(wen)度降低至600℃以(yi)下，該反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)溫(wen)度可(ke)與(yu)(yu)(yu)低聚(ju)光(guang)比的(de)(de)(de)(de)(de)槽式聚(ju)光(guang)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)相(xiang)結合，降低輻射熱(re)損失，提(ti)升太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)利(li)用效率。此外，該反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)實現(xian)(xian)了(le)(le)甲(jia)烷(wan)(wan)化(hua)(hua)(hua)(hua)學鏈制氫的(de)(de)(de)(de)(de)高效轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)。甲(jia)烷(wan)(wan)轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)率可(ke)達到90%以(yi)上，同時30次循(xun)(xun)(xun)(xun)環(huan)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)表明(ming)其循(xun)(xun)(xun)(xun)環(huan)反(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)性(xing)與(yu)(yu)(yu)穩定性(xing)優異(yi)。聚(ju)光(guang)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)化(hua)(hua)(hua)(hua)學鏈循(xun)(xun)(xun)(xun)環(huan)方(fang)法不僅實現(xian)(xian)了(le)(le)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)的(de)(de)(de)(de)(de)高效利(li)用，同時能(neng)夠減(jian)少溫(wen)室氣(qi)體排放，實現(xian)(xian)了(le)(le)高效、低碳、清潔的(de)(de)(de)(de)(de)太(tai)(tai)陽(yang)能(neng)利(li)用。

上(shang)述(shu)實驗研(yan)究(jiu)(jiu)為實現聚光太陽能(neng)化(hua)(hua)學(xue)(xue)鏈制取(qu)太陽能(neng)燃料奠定重要實驗基(ji)礎(chu)，為解決當前聚光太陽能(neng)熱化(hua)(hua)學(xue)(xue)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換效率低的瓶頸提(ti)供(gong)了新方法。該研(yan)究(jiu)(jiu)受到(dao)了國家自然科學(xue)(xue)基(ji)金重大研(yan)究(jiu)(jiu)計劃項目(mu)的資助和支持。

相關成果如下：

1.Experimental study on honeycomb reactor using methane via chemical looping cycle for solar syngas.

Applied Energy,2020,268,114995.

2.Mixed Conductive Composites for‘Low-Temperature'Thermo-chemical CO?Splitting and Syngas Generation.

Journal of Materials Chemistry A,2020,8(26),13173-13182.

圖：聚光太陽(yang)能與(yu)甲烷(wan)互補系(xi)統

圖：天然氣(qi)化(hua)學鏈制氫反應示意圖

圖(tu)：天然氣(qi)化學(xue)鏈制氫反(fan)應性(xing)能結果

太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)是十分(fen)具(ju)有前景的(de)(de)(de)清(qing)潔能(neng)(neng)源，隨(sui)著科技的(de)(de)(de)發(fa)(fa)展，太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)燃(ran)料(liao)將(jiang)(jiang)廣泛應用(yong)(yong)于(yu)人(ren)們(men)的(de)(de)(de)生(sheng)產(chan)生(sheng)活(huo)。將(jiang)(jiang)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)用(yong)(yong)于(yu)金屬(shu)、礦物(wu)生(sheng)產(chan)等(deng)領(ling)域(yu)將(jiang)(jiang)大(da)大(da)降低對(dui)化石燃(ran)料(liao)的(de)(de)(de)依賴，同(tong)時減少化石燃(ran)料(liao)帶(dai)來的(de)(de)(de)污染；將(jiang)(jiang)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)作為反應熱(re)(re)(re)源用(yong)(yong)于(yu)含(han)碳燃(ran)料(liao)如煤、生(sheng)物(wu)質(zhi)和焦油的(de)(de)(de)降解和氣化可有效提(ti)高燃(ran)料(liao)的(de)(de)(de)品質(zhi)和清(qing)潔度(du)；將(jiang)(jiang)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)用(yong)(yong)于(yu)水(shui)和二氧化碳分(fen)解從而生(sheng)產(chan)氫(qing)氣和一氧化碳，實現(xian)氫(qing)和碳的(de)(de)(de)循環利用(yong)(yong)將(jiang)(jiang)完全改變以(yi)往以(yi)化石燃(ran)料(liao)為主的(de)(de)(de)能(neng)(neng)源結構。此(ci)前，國際能(neng)(neng)源署太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)熱(re)(re)(re)發(fa)(fa)電和熱(re)(re)(re)化學(xue)組織特別設置了“太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)燃(ran)料(liao)路線圖”項目，我國西安交通大(da)學(xue)等(deng)單位參與其中。國際社會對(dui)于(yu)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)燃(ran)料(liao)也在積極(ji)投入(ru)(ru)研發(fa)(fa)和示(shi)范，市場方興(xing)未艾。愿(yuan)太(tai)陽(yang)(yang)(yang)能(neng)(neng)燃(ran)料(liao)能(neng)(neng)早日(ri)進入(ru)(ru)人(ren)們(men)的(de)(de)(de)日(ri)常生(sheng)活(huo)中。