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全球從化石燃料能源過渡到可持續能源，特別是太陽能，需要在能源儲存方面取得突破。兩步法太陽能熱化學制氫(STCH)利用整個太陽能光譜，在沒有貴金屬催化的情況下工作，并分別生產氫和氧，已成為滿足此需求的有吸引力的路線。

CSPPLAZA光熱發電網訊：據外媒消息(xi)，美國西北大學(xue)Sossina M.Haile教授(shou)和材料科學(xue)家Xin Qian等在近(jin)期發(fa)布(bu)的一篇論文中指(zhi)出，經探索研(yan)究(jiu)發(fa)現(xian)，在太(tai)陽能熱化學(xue)制氫方(fang)面，鈣(gai)鈦礦可(ke)能比氧化鈰(shi)更(geng)具成本(ben)效益。該項(xiang)研(yan)究(jiu)得到了美國能源部的資助(zhu)，主要研(yan)究(jiu)太(tai)陽能熱化學(xue)制氫領域。

太陽能(neng)熱化(hua)學(xue)循(xun)環制氫是通過聚光系統產生高溫(500℃–2000℃)，推動熱化(hua)學(xue)反應分解(jie)水或甲烷等(deng)制取(qu)氫氣等(deng)清潔燃料。

美國西北大學采用(yong)的兩步(bu)法制氫過程為:

1、還(huan)原過程：首(shou)先將反應器(qi)中注入類似(si)氬(ya)氣(qi)的(de)惰性氣(qi)體，在高溫條件下，反應器(qi)中的(de)多孔氧(yang)化(hua)還(huan)原材料（通(tong)常是一種金屬氧(yang)化(hua)物）會因過熱被還(huan)原為金屬單質或低價金屬氧(yang)化(hua)物并釋放(fang)出氧(yang)氣(qi)。

2、氧(yang)(yang)化過程：通(tong)入水蒸氣(qi)，金(jin)(jin)屬單質(zhi)或低價金(jin)(jin)屬氧(yang)(yang)化物被氧(yang)(yang)化為高價金(jin)(jin)屬氧(yang)(yang)化物，同時(shi)產(chan)生氫氣(qi)，固體和氣(qi)體易分離。

圖：反應原理

上述(shu)兩(liang)個(ge)過超(chao)均需要1500℃左右甚至更(geng)高(gao)的(de)溫度(du)，這部(bu)分(fen)能量(liang)可以由定日鏡(jing)陣列所(suo)組成的(de)塔(ta)式聚光系統直接提供給反應器。

起初，研究人員嘗(chang)試用(yong)氧(yang)化鐵作為上(shang)述過(guo)程中的氧(yang)化還原材料，但后(hou)來發現，在連(lian)續制氫的重復循環過(guo)程中，該材料的燒結問題非常嚴重。

目前，氧(yang)化(hua)鈰(shi)（CeO2）應(ying)是該領域(yu)公認的(de)最先進的(de)材料(liao)，由于其(qi)在(zai)高(gao)溫下的(de)穩定性能，現在(zai)已經被廣泛應(ying)用于商業化(hua)生產(chan)噴氣燃料(liao)或氫氣等(deng)太陽能燃料(liao)。

據Xin Qian介(jie)紹：“該過程非(fei)常有(you)興(xing)趣(qu)，當(dang)(dang)還原(yuan)二氧(yang)化(hua)(hua)鈰(shi)時，它(ta)(ta)會逐漸釋(shi)放出氧(yang)氣(qi)，當(dang)(dang)你(ni)用蒸(zheng)汽氧(yang)化(hua)(hua)它(ta)(ta)時，它(ta)(ta)會從蒸(zheng)汽中吸收氧(yang)氣(qi)，填充結構中的(de)(de)氧(yang)空(kong)位，從而再次(ci)被(bei)氧(yang)化(hua)(hua)。氧(yang)化(hua)(hua)鈰(shi)在許多循環中都(dou)會有(you)非(fei)常快的(de)(de)動力學(xue)反(fan)應(ying)和非(fei)常穩(wen)定的(de)(de)結構，但其主要(yao)問題是還原(yuan)焓過高(gao)(gao)。所以(yi)當(dang)(dang)你(ni)降低它(ta)(ta)時，你(ni)需(xu)要(yao)高(gao)(gao)于1500℃的(de)(de)溫度才(cai)能(neng)生產大量的(de)(de)燃料(liao)。這種高(gao)(gao)溫將(jiang)(jiang)給太(tai)陽能(neng)反(fan)應(ying)堆的(de)(de)設(she)計帶(dai)來非(fei)常嚴重的(de)(de)問題，尤其是將(jiang)(jiang)有(you)許多材料(liao)方面的(de)(de)問題。”

針對此問(wen)題，雖然一些太陽能熱(re)化學研(yan)發人員正在(zai)致力于(yu)開發出新材(cai)料，以用于(yu)建造(zao)能夠承受如此高(gao)溫的太陽能反應器，但美國(guo)西(xi)北(bei)大學等(deng)研(yan)究團隊則(ze)選擇去(qu)尋找更加適合(he)該反應過程的替代性氧化還原(yuan)材(cai)料，比(bi)如鈣鈦礦，其性能與(yu)二(er)氧化鈰(shi)類似，但溫度較低，所(suo)以可以更加經濟地制(zhi)造(zao)太陽能氫氣。

Xin Qian指出，這兩種(zhong)材料各有(you)(you)優缺點。除(chu)了高溫(wen)要(yao)求和生(sheng)產效率較(jiao)低之外，鈰還(huan)是一(yi)種(zhong)稀(xi)土金屬，因此(ci)(ci)采(cai)用氧(yang)化(hua)鈰的(de)成本遠遠高于(yu)鈣(gai)鈦礦(kuang)（鈣(gai)鈦礦(kuang)的(de)價格非(fei)常(chang)便宜(yi)，而(er)且(qie)含有(you)(you)豐(feng)富(fu)的(de)稀(xi)土元素）。但(dan)是，氧(yang)化(hua)鈰的(de)優點是其在極端(duan)條件下尤(you)其是高溫(wen)條件下非(fei)常(chang)穩定。而(er)采(cai)用鈣(gai)鈦礦(kuang)材料則具有(you)(you)較(jiao)快的(de)氧(yang)氣釋放動力學，這意味(wei)著(zhu)循環過程可(ke)以變的(de)更短(duan)。例如，每克氧(yang)化(hua)物30分鐘大約可(ke)以產生(sheng)3ml的(de)氫氣，因此(ci)(ci)氫氣的(de)生(sheng)產周期可(ke)以變的(de)更短(duan)。

美國西北大(da)學所(suo)采用(yong)的鈣鈦礦材料(liao)的化學式(shi)為CaTi0.5Mn0.5O3-δ(CTM55)，它的原子不(bu)是以精確的整數比結(jie)合(he)在一起的，而是由(you)Ti摻雜鈣鈦礦型錳(meng)酸(suan)鈣（CaMnO3-δ）形(xing)成的。

研(yan)究(jiu)團(tuan)隊認(ren)為，這種鈣(gai)鈦礦可以替代當(dang)前太(tai)陽能熱化(hua)學制氫普遍采用的(de)(de)氧化(hua)鈰。實(shi)(shi)驗室測試表明，在(zai)熱化(hua)學循(xun)環(huan)中，在(zai)1350℃（還原）和(he)1150℃（水分(fen)解）之(zhi)間(jian)的(de)(de)循(xun)環(huan)中，每(mei)克氧化(hua)物鈣(gai)鈦礦材料(liao)實(shi)(shi)現了10.0±0.2 mL g-1的(de)(de)產(chan)氫率，總循(xun)環(huan)時間(jian)為1.5 h，超過了之(zhi)前所有的(de)(de)燃料(liao)生產(chan)報告。

詳細了解該技術可觀看如下視頻（SolarPACES發布）：

但是，Xin Qian認為雖然這(zhe)種材料(liao)(liao)性能(neng)很好(hao)，但仍需(xu)要繼續(xu)探(tan)(tan)索，需(xu)要找到(dao)一(yi)種具(ju)有中等焓和足夠高熵的(de)材料(liao)(liao)，以便在熱(re)力學上更(geng)有利于熱(re)還原和水分(fen)解過程(cheng)。鑒于鈣鈦礦的(de)組(zu)成空(kong)間(jian)非常廣(guang)闊，后(hou)續(xu)人們必將能(neng)夠探(tan)(tan)索出(chu)新(xin)的(de)組(zu)成，因此(ci)肯定也會發現(xian)性能(neng)更(geng)佳(jia)的(de)新(xin)材料(liao)(liao)。

像(xiang)現在大多數研(yan)究一(yi)(yi)樣，該團隊中(zhong)的材料科學家與一(yi)(yi)個(ge)計算(suan)小組合作來(lai)加速(su)探索過程(cheng)。

Xin Qian表(biao)(biao)示：“通過計(ji)算(suan)篩選，可以去掉很多不(bu)感興(xing)趣的材料(liao)，事(shi)實(shi)上我們并不(bu)知道(dao)(dao)哪(na)些材料(liao)會有(you)這些特性，如(ru)果不(bu)需要(yao)全(quan)部(bu)測量，將會節省很多時間。例如(ru)，如(ru)果我知道(dao)(dao)我想要(yao)的材料(liao)的還原(yuan)焓在200到300之間，計(ji)算(suan)小組會給(gei)出一個(ge)焓只在這個(ge)范圍內的所(suo)有(you)材料(liao)的列(lie)表(biao)(biao)，其它不(bu)符(fu)合要(yao)求的就(jiu)會直接被放(fang)棄。”

Xin Qian指出：“目前適用(yong)太陽能熱化(hua)(hua)學制氫過程的(de)(de)(de)(de)鈣鈦礦材(cai)料的(de)(de)(de)(de)穩定性、晶(jing)體結構、相變、還(huan)原(yuan)動力學和燃料生產(chan)(chan)速率等相關指標的(de)(de)(de)(de)合理參數已經被一(yi)(yi)一(yi)(yi)量化(hua)(hua)并確定范圍，下一(yi)(yi)步的(de)(de)(de)(de)研究方向將(jiang)是(shi)如何對(dui)其優(you)化(hua)(hua)以(yi)(yi)實現更(geng)高(gao)的(de)(de)(de)(de)氫氣(qi)生產(chan)(chan)效率。未來我(wo)們可(ke)能嘗(chang)試調整(zheng)(zheng)這些(xie)參數，以(yi)(yi)使材(cai)料性能達到(dao)更(geng)佳。比如，我(wo)們想知(zhi)道它是(shi)否受到(dao)氧擴散影響(xiang)或者氧氣(qi)在(zai)其表面反應(ying)會帶來什么后果。對(dui)于高(gao)度多孔的(de)(de)(de)(de)樣品結構來說(shuo)，材(cai)料表面的(de)(de)(de)(de)反應(ying)可(ke)能會影響(xiang)整(zheng)(zheng)個生產(chan)(chan)流程，那么我(wo)們可(ke)能會采(cai)用(yong)一(yi)(yi)些(xie)催(cui)化(hua)(hua)劑(ji)來提(ti)高(gao)其還(huan)原(yuan)速率，以(yi)(yi)便在(zai)一(yi)(yi)定的(de)(de)(de)(de)循(xun)環時間內生產(chan)(chan)出更(geng)多的(de)(de)(de)(de)燃料。”