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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)光太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)可(ke)實現不(bu)同聚(ju)光比條件下(xia)驅動碳氫燃料參與的化(hua)學(xue)(xue)反應，實現太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)互補系(xi)統的燃料轉(zhuan)化(hua)。太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)燃料制備的主要瓶頸是熱化(hua)學(xue)(xue)循(xun)環反應溫度高(gao)、輻射熱損失(shi)大、不(bu)可(ke)逆損失(shi)嚴重，導致能(neng)(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)效率低。為解決(jue)該(gai)瓶頸，中(zhong)國科學(xue)(xue)院工程熱物理研究所分布(bu)式供能(neng)(neng)與可(ke)再生能(neng)(neng)源實驗(yan)室提出了聚(ju)光太(tai)陽(yang)能(neng)(neng)化(hua)學(xue)(xue)鏈循(xun)環方法(fa)。

該方(fang)法主要(yao)原(yuan)理如下：天(tian)然氣在(zai)聚光太(tai)陽(yang)能(neng)作用下還(huan)原(yuan)載(zai)(zai)氧(yang)體(ti)生成CO和(he)H?，被還(huan)原(yuan)的載(zai)(zai)氧(yang)體(ti)與空氣等(deng)反應進(jin)行載(zai)(zai)氧(yang)體(ti)的再生，CO和(he)H?即為所(suo)需的太(tai)陽(yang)能(neng)燃料(liao)。上(shang)述方(fang)法可(ke)將熱(re)(re)化學反應溫度(du)從(cong)1000℃以(yi)上(shang)降低(di)至600℃左(zuo)右，不僅能(neng)降低(di)太(tai)陽(yang)能(neng)集(ji)熱(re)(re)島(dao)的輻射熱(re)(re)損(sun)失，還(huan)能(neng)降低(di)熱(re)(re)化學反應的不可(ke)逆損(sun)失，具有將太(tai)陽(yang)能(neng)利(li)用效率(lv)提升(sheng)約5~10%的潛力。

高(gao)(gao)反(fan)應(ying)轉化(hua)率(lv)和循(xun)(xun)環(huan)穩(wen)(wen)定性(xing)(xing)的(de)載(zai)(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)材料(liao)是(shi)實(shi)現聚光太(tai)(tai)陽(yang)能化(hua)學(xue)(xue)鏈(lian)制取太(tai)(tai)陽(yang)能燃料(liao)的(de)關鍵。為提高(gao)(gao)燃料(liao)轉化(hua)率(lv)與合成氣選擇(ze)性(xing)(xing)，中(zhong)國科學(xue)(xue)院(yuan)工(gong)程熱物(wu)理研究(jiu)所分(fen)布(bu)式研究(jiu)團(tuan)隊與美(mei)國北卡羅來(lai)納州立大(da)學(xue)(xue)、西佛吉(ji)尼亞(ya)大(da)學(xue)(xue)研究(jiu)團(tuan)隊合作，研制了(le)高(gao)(gao)反(fan)應(ying)性(xing)(xing)、高(gao)(gao)選擇(ze)性(xing)(xing)的(de)復合離子(zi)電子(zi)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)（MIEC）載(zai)(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)，并(bing)深入探(tan)索了(le)復合離子(zi)電子(zi)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)載(zai)(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)的(de)循(xun)(xun)環(huan)反(fan)應(ying)性(xing)(xing)。與單獨離子(zi)電子(zi)導(dao)(dao)體(ti)(ti)(ti)載(zai)(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)相(xiang)比，新型(xing)復合載(zai)(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)可將(jiang)反(fan)應(ying)轉化(hua)率(lv)從~20%提升至90%以上，且達到接近100%的(de)合成氣選擇(ze)性(xing)(xing)；復合載(zai)(zai)(zai)氧體(ti)(ti)(ti)在50次循(xun)(xun)環(huan)反(fan)應(ying)中(zhong)具有較(jiao)高(gao)(gao)的(de)循(xun)(xun)環(huan)穩(wen)(wen)定性(xing)(xing)。

為進一步提(ti)高(gao)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)性(xing)(xing)、降低(di)(di)(di)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)溫(wen)度，中國科學(xue)(xue)(xue)院工程熱(re)物理研究(jiu)(jiu)所分(fen)(fen)布式(shi)研究(jiu)(jiu)團隊(dui)從反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)分(fen)(fen)離(li)以(yi)及工藝流程優化(hua)(hua)的(de)(de)思路入手，通過反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器的(de)(de)設計(ji)和反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)的(de)(de)分(fen)(fen)離(li)過程對化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)鏈(lian)制氫(qing)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)的(de)(de)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)路徑進行優化(hua)(hua)，進一步實現(xian)了(le)(le)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)性(xing)(xing)能的(de)(de)提(ti)升。團隊(dui)研發了(le)(le)多孔蜂窩型化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)鏈(lian)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器，并研究(jiu)(jiu)了(le)(le)Ni基載氧體在該(gai)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器上(shang)的(de)(de)天然氣(qi)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)鏈(lian)制氫(qing)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)性(xing)(xing)能。與傳統的(de)(de)甲(jia)烷(wan)重整反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)制氫(qing)(約800℃)相比，通過化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)鏈(lian)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)方(fang)法可(ke)將反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)溫(wen)度降低(di)(di)(di)至(zhi)600℃以(yi)下，該(gai)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)溫(wen)度可(ke)與低(di)(di)(di)聚(ju)(ju)光(guang)(guang)比的(de)(de)槽式(shi)聚(ju)(ju)光(guang)(guang)太陽能相結合，降低(di)(di)(di)輻(fu)射熱(re)損失，提(ti)升太陽能利(li)用(yong)效率(lv)。此外，該(gai)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)實現(xian)了(le)(le)甲(jia)烷(wan)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)鏈(lian)制氫(qing)的(de)(de)高(gao)效轉化(hua)(hua)。甲(jia)烷(wan)轉化(hua)(hua)率(lv)可(ke)達到90%以(yi)上(shang)，同(tong)時30次循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)表明其循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)反(fan)(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)性(xing)(xing)與穩定性(xing)(xing)優異。聚(ju)(ju)光(guang)(guang)太陽能化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)鏈(lian)循(xun)(xun)(xun)環(huan)(huan)方(fang)法不僅實現(xian)了(le)(le)太陽能的(de)(de)高(gao)效利(li)用(yong)，同(tong)時能夠減少(shao)溫(wen)室(shi)氣(qi)體排放，實現(xian)了(le)(le)高(gao)效、低(di)(di)(di)碳、清(qing)潔的(de)(de)太陽能利(li)用(yong)。

上述實驗研究為實現聚光太(tai)陽能(neng)化學(xue)鏈制取太(tai)陽能(neng)燃(ran)料(liao)奠定重要實驗基礎，為解決當前(qian)聚光太(tai)陽能(neng)熱化學(xue)能(neng)量轉換(huan)效率低的瓶頸提供了新方法。該研究受到了國(guo)家自(zi)然科學(xue)基金重大(da)研究計劃項目的資助(zhu)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：聚光太陽能(neng)與甲烷互(hu)補(bu)系(xi)統

圖：天然(ran)氣化學(xue)鏈制氫反(fan)應示意圖

圖：天然氣化學(xue)鏈制氫反應性能結果

太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)是十(shi)分具有前(qian)景的(de)(de)清潔能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)，隨著科技的(de)(de)發(fa)(fa)展，太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)將(jiang)(jiang)廣泛應(ying)用于(yu)人(ren)們的(de)(de)生(sheng)(sheng)產生(sheng)(sheng)活。將(jiang)(jiang)太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)用于(yu)金屬、礦物(wu)(wu)生(sheng)(sheng)產等領域將(jiang)(jiang)大(da)大(da)降低對化(hua)(hua)(hua)石燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)的(de)(de)依賴，同時減少化(hua)(hua)(hua)石燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)帶來的(de)(de)污染；將(jiang)(jiang)太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)作為反應(ying)熱(re)源(yuan)用于(yu)含碳(tan)(tan)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)如(ru)煤、生(sheng)(sheng)物(wu)(wu)質和(he)焦(jiao)油的(de)(de)降解和(he)氣化(hua)(hua)(hua)可有效提高燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)的(de)(de)品質和(he)清潔度；將(jiang)(jiang)太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)用于(yu)水和(he)二氧化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)分解從而(er)生(sheng)(sheng)產氫氣和(he)一氧化(hua)(hua)(hua)碳(tan)(tan)，實現氫和(he)碳(tan)(tan)的(de)(de)循環(huan)利用將(jiang)(jiang)完全改變(bian)以往以化(hua)(hua)(hua)石燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)為主的(de)(de)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)結構。此前(qian)，國際(ji)能(neng)(neng)(neng)(neng)源(yuan)署太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)熱(re)發(fa)(fa)電和(he)熱(re)化(hua)(hua)(hua)學(xue)組(zu)織(zhi)特別(bie)設置(zhi)了“太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)路線(xian)圖(tu)”項目，我國西安交通大(da)學(xue)等單位(wei)參與其中(zhong)。國際(ji)社會(hui)對于(yu)太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)也在積(ji)極投入研發(fa)(fa)和(he)示范(fan)，市場(chang)方興未艾。愿太(tai)(tai)(tai)(tai)(tai)陽(yang)(yang)能(neng)(neng)(neng)(neng)燃(ran)(ran)(ran)(ran)料(liao)能(neng)(neng)(neng)(neng)早日進入人(ren)們的(de)(de)日常生(sheng)(sheng)活中(zhong)。