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太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)熱化學(xue)(xue)循環分解(jie)水制氫(qing)(qing)(qing)具有太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)全光譜利用(yong)、無需氫(qing)(qing)(qing)氧分離、理論能(neng)源轉換率高等優(you)勢，是一(yi)種綠色環保的制氫(qing)(qing)(qing)手段。近日，中國科學(xue)(xue)院電工研究所潔凈燃料制備課題組通過載氧材料微觀結構的設計和太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)熱化學(xue)(xue)反應器(qi)內多(duo)尺度反應流的研究，合成了產氫(qing)(qing)(qing)性(xing)能(neng)優(you)異的新材料母體并研制成功規模達(da)10kW的超高溫太(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)熱化學(xue)(xue)反應器(qi)。

ABO?型鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)材(cai)料因具(ju)有極強(qiang)的(de)氧空位(wei)調節和摻(chan)雜改性(xing)能力，成為近年來(lai)的(de)研究熱(re)(re)點。項(xiang)目團隊基(ji)于(yu)神經(jing)網絡模型，提出了(le)針(zhen)對(dui)無(wu)機鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)的(de)氧空位(wei)計算方法和高通量篩選策(ce)略(lve)，預測并合成了(le)鉻(ge)基(ji)鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)新母(mu)體。它可用于(yu)太(tai)陽(yang)能熱(re)(re)化學循(xun)環(huan)高效產(chan)氫。該研究揭示了(le)鉻(ge)基(ji)鈣(gai)鈦礦(kuang)(kuang)的(de)氧空位(wei)水解(jie)產(chan)氫機理和混合CeO?的(de)雙相特征，獲得(de)了(le)其摻(chan)雜改性(xing)的(de)調控策(ce)略(lve)，實(shi)現了(le)449.8μmol g?1的(de)產(chan)氫表現。研究還發(fa)現新材(cai)料反應焓熵(shang)的(de)共增強(qiang)利于(yu)促進(jin)反應進(jin)行。實(shi)驗(yan)熱(re)(re)力學參(can)數以及氣(qi)固兩相熱(re)(re)回收和參(can)數敏感度分析表明，太(tai)陽(yang)能到氫氣(qi)的(de)能源轉化效率(lv)可達17.3%。

熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)器是實(shi)現太陽能(neng)到(dao)化(hua)(hua)學(xue)(xue)能(neng)轉換的關鍵設備，設計制造需(xu)要綜合考慮材料的熱(re)力(li)學(xue)(xue)、動(dong)力(li)學(xue)(xue)性(xing)(xing)能(neng)和反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)溫(wen)度(du)(du)、氣(qi)體(ti)流動(dong)等因素，對溫(wen)度(du)(du)場分布和氣(qi)密性(xing)(xing)均有(you)嚴格(ge)的要求。科(ke)研(yan)團隊通過對高(gao)(gao)(gao)溫(wen)太陽能(neng)熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)器內參與(yu)性(xing)(xing)介質輻(fu)射(she)與(yu)氣(qi)固多尺(chi)度(du)(du)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)流的研(yan)究，建立了(le)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)器內流動(dong)、化(hua)(hua)學(xue)(xue)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)和參與(yu)性(xing)(xing)介質輻(fu)射(she)耦(ou)合的三(san)維(wei)非穩態數(shu)學(xue)(xue)模型，研(yan)制了(le)超高(gao)(gao)(gao)溫(wen)（高(gao)(gao)(gao)于1400℃）太陽能(neng)熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)器樣機，完(wan)成了(le)高(gao)(gao)(gao)溫(wen)熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)產(chan)CO和H?的多工況實(shi)驗，獲得了(le)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)溫(wen)度(du)(du)、壓(ya)力(li)和反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)(ying)(ying)(ying)物(wu)濃度(du)(du)對熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)循環(huan)產(chan)CO和產(chan)H?性(xing)(xing)能(neng)的影響(xiang)規律。研(yan)制樣機已提(ti)供給(gei)烏茲別克斯坦科(ke)學(xue)(xue)院(yuan)物(wu)理技術研(yan)究所在當地開展(zhan)了(le)實(shi)驗測試和技術示范。

鈣鈦礦材料(liao)的氫氣產(chan)量和(he)速(su)率對比圖

太陽能熱化學反應(ying)器產(chan)氫實驗(yan)照片

太陽能熱化學反應(ying)器產氫實(shi)驗(yan)數據

相關研究(jiu)成果發表(biao)在《無機化學前沿》（Inorganic Chemistry Frontiers）和(he)《可再生能(neng)源》（Renewable Energy）上。研究(jiu)工作(zuo)得到國(guo)家(jia)重(zhong)點(dian)研發計(ji)劃和(he)中(zhong)國(guo)科學院國(guo)際(ji)伙伴(ban)計(ji)劃的支持。該(gai)工作(zuo)由中(zhong)科院電(dian)工所(suo)與烏茲別克斯坦科學院物理技術研究(jiu)所(suo)合作(zuo)完(wan)成。