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太陽能(neng)(neng)(neng)熱(re)化(hua)(hua)學(xue)循環分解水制(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)具有太陽能(neng)(neng)(neng)全光譜利(li)用、無需(xu)氫(qing)(qing)氧(yang)分離、理論能(neng)(neng)(neng)源(yuan)轉(zhuan)換率(lv)高(gao)等(deng)優勢，是(shi)一種(zhong)綠(lv)色環保的(de)(de)(de)制(zhi)(zhi)氫(qing)(qing)手段。近日，中國(guo)科學(xue)院電(dian)工研究所潔(jie)凈燃料(liao)制(zhi)(zhi)備課題組通(tong)過載氧(yang)材料(liao)微(wei)觀(guan)結構的(de)(de)(de)設計和太陽能(neng)(neng)(neng)熱(re)化(hua)(hua)學(xue)反(fan)應(ying)器內多尺度反(fan)應(ying)流的(de)(de)(de)研究，合成了產氫(qing)(qing)性能(neng)(neng)(neng)優異的(de)(de)(de)新(xin)材料(liao)母體并研制(zhi)(zhi)成功規(gui)模達10kW的(de)(de)(de)超高(gao)溫太陽能(neng)(neng)(neng)熱(re)化(hua)(hua)學(xue)反(fan)應(ying)器。

ABO?型(xing)鈣(gai)鈦礦材料因具有極強(qiang)的氧(yang)(yang)空位調(diao)節和摻雜改(gai)性(xing)能(neng)(neng)力，成為近年來的研(yan)究(jiu)熱(re)點。項目團隊基(ji)于(yu)神經網絡模型(xing)，提出了針對(dui)無機鈣(gai)鈦礦的氧(yang)(yang)空位計算方(fang)法(fa)和高(gao)通量(liang)篩選(xuan)策略(lve)，預測并合成了鉻(ge)(ge)基(ji)鈣(gai)鈦礦新母體(ti)。它可用于(yu)太(tai)陽能(neng)(neng)熱(re)化學(xue)循環高(gao)效(xiao)產氫(qing)。該(gai)研(yan)究(jiu)揭示(shi)了鉻(ge)(ge)基(ji)鈣(gai)鈦礦的氧(yang)(yang)空位水解產氫(qing)機理和混合CeO?的雙相特征(zheng)，獲(huo)得了其(qi)摻雜改(gai)性(xing)的調(diao)控策略(lve)，實(shi)現了449.8μmol g?1的產氫(qing)表現。研(yan)究(jiu)還發現新材料反應焓熵的共增強(qiang)利(li)于(yu)促進反應進行。實(shi)驗熱(re)力學(xue)參數以及(ji)氣(qi)固兩相熱(re)回收和參數敏(min)感度分析表明，太(tai)陽能(neng)(neng)到氫(qing)氣(qi)的能(neng)(neng)源(yuan)轉(zhuan)化效(xiao)率可達17.3%。

熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)是實現(xian)太陽(yang)能到化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)能轉換(huan)的(de)關鍵設備，設計制造需要綜合(he)(he)考(kao)慮材料的(de)熱(re)力學(xue)(xue)(xue)、動力學(xue)(xue)(xue)性(xing)(xing)(xing)能和反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)溫(wen)(wen)度(du)、氣(qi)體(ti)流動等因素，對溫(wen)(wen)度(du)場分布(bu)和氣(qi)密性(xing)(xing)(xing)均有嚴格的(de)要求(qiu)。科研(yan)(yan)團(tuan)隊通過(guo)對高溫(wen)(wen)太陽(yang)能熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)內參與性(xing)(xing)(xing)介(jie)質(zhi)輻射與氣(qi)固(gu)多尺度(du)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)流的(de)研(yan)(yan)究(jiu)，建立了(le)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)內流動、化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)和參與性(xing)(xing)(xing)介(jie)質(zhi)輻射耦合(he)(he)的(de)三維非(fei)穩(wen)態數學(xue)(xue)(xue)模型，研(yan)(yan)制了(le)超高溫(wen)(wen)（高于1400℃）太陽(yang)能熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)器(qi)樣機(ji)，完成了(le)高溫(wen)(wen)熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)產(chan)CO和H?的(de)多工況實驗，獲得了(le)反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)溫(wen)(wen)度(du)、壓力和反(fan)(fan)(fan)應(ying)(ying)物(wu)濃度(du)對熱(re)化(hua)(hua)學(xue)(xue)(xue)循(xun)環產(chan)CO和產(chan)H?性(xing)(xing)(xing)能的(de)影(ying)響規律。研(yan)(yan)制樣機(ji)已提供給烏茲別(bie)克斯坦科學(xue)(xue)(xue)院物(wu)理技術研(yan)(yan)究(jiu)所在當地(di)開展(zhan)了(le)實驗測試和技術示范。

鈣鈦礦材料的(de)氫氣產量和速率(lv)對比圖(tu)

太陽(yang)能熱化學反應器產氫實驗照片(pian)

太陽能(neng)熱(re)化學反(fan)應器(qi)產氫實驗(yan)數據

相關研究成果發表(biao)在(zai)《無機化學前沿》（Inorganic Chemistry Frontiers）和《可再生能源》（Renewable Energy）上。研究工作(zuo)得(de)到國(guo)家重點研發計劃(hua)(hua)和中國(guo)科學院(yuan)國(guo)際伙伴計劃(hua)(hua)的支持。該工作(zuo)由中科院(yuan)電(dian)工所與烏茲別克斯坦(tan)科學院(yuan)物理技(ji)術研究所合作(zuo)完(wan)成。