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      重要突破!美科學家研究出太陽能熱化學制氫新型高性能材料!
      發布者:admin | 1評論 | 14864查看 | 2021-03-15 19:32:24    

      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。


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      CSPPLAZA光熱發電網訊:據外媒消息,美國西北大學Sossina M.Haile教授和材料科學家Xin Qian等在近期發布的一篇論文中指出,經探索研究發現,在太陽能熱化學制氫方面,鈣鈦礦可能比氧化鈰更具成本效益。該項研究得到了美國能源部的資助,主要研究太陽能熱化學制氫領域。


      太陽能熱化學循環制氫是通過聚光系統產生高溫(500℃–2000℃),推動熱化學反應分解水或甲烷等制取氫氣等清潔燃料。


      美國西北大學采用的兩步法制氫過程為:


      1、還原過程:首先將反應器中注入類似氬氣的惰性氣體,在高溫條件下,反應器中的多孔氧化還原材料(通常是一種金屬氧化物)會因過熱被還原為金屬單質或低價金屬氧化物并釋放出氧氣。


      2、氧化過程:通入水蒸氣,金屬單質或低價金屬氧化物被氧化為高價金屬氧化物,同時產生氫氣,固體和氣體易分離。


      圖:反應原理


      上述兩個過超均需要1500℃左右甚至更高的溫度,這部分能量可以由定日鏡陣列所組成的塔式聚光系統直接提供給反應器。


      起初,研究人員嘗試用氧化鐵作為上述過程中的氧化還原材料,但后來發現,在連續制氫的重復循環過程中,該材料的燒結問題非常嚴重。


      目前,氧化鈰(CeO2)應是該領域公認的最先進的材料,由于其在高溫下的穩定性能,現在已經被廣泛應用于商業化生產噴氣燃料或氫氣等太陽能燃料。


      據Xin Qian介紹:“該過程非常有興趣,當還原二氧化鈰時,它會逐漸釋放出氧氣,當你用蒸汽氧化它時,它會從蒸汽中吸收氧氣,填充結構中的氧空位,從而再次被氧化。氧化鈰在許多循環中都會有非??斓膭恿W反應和非常穩定的結構,但其主要問題是還原焓過高。所以當你降低它時,你需要高于1500℃的溫度才能生產大量的燃料。這種高溫將給太陽能反應堆的設計帶來非常嚴重的問題,尤其是將有許多材料方面的問題?!?/p>


      針對此問題,雖然一些太陽能熱化學研發人員正在致力于開發出新材料,以用于建造能夠承受如此高溫的太陽能反應器,但美國西北大學等研究團隊則選擇去尋找更加適合該反應過程的替代性氧化還原材料,比如鈣鈦礦,其性能與二氧化鈰類似,但溫度較低,所以可以更加經濟地制造太陽能氫氣。


      Xin Qian指出,這兩種材料各有優缺點。除了高溫要求和生產效率較低之外,鈰還是一種稀土金屬,因此采用氧化鈰的成本遠遠高于鈣鈦礦(鈣鈦礦的價格非常便宜,而且含有豐富的稀土元素)。但是,氧化鈰的優點是其在極端條件下尤其是高溫條件下非常穩定。而采用鈣鈦礦材料則具有較快的氧氣釋放動力學,這意味著循環過程可以變的更短。例如,每克氧化物30分鐘大約可以產生3ml的氫氣,因此氫氣的生產周期可以變的更短。


      美國西北大學所采用的鈣鈦礦材料的化學式為CaTi0.5Mn0.5O3-δ(CTM55),它的原子不是以精確的整數比結合在一起的,而是由Ti摻雜鈣鈦礦型錳酸鈣(CaMnO3-δ)形成的。


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      研究團隊認為,這種鈣鈦礦可以替代當前太陽能熱化學制氫普遍采用的氧化鈰。實驗室測試表明,在熱化學循環中,在1350℃(還原)和1150℃(水分解)之間的循環中,每克氧化物鈣鈦礦材料實現了10.0±0.2 mL g-1的產氫率,總循環時間為1.5 h,超過了之前所有的燃料生產報告。


      詳細了解該技術可觀看如下視頻(SolarPACES發布):




      但是,Xin Qian認為雖然這種材料性能很好,但仍需要繼續探索,需要找到一種具有中等焓和足夠高熵的材料,以便在熱力學上更有利于熱還原和水分解過程。鑒于鈣鈦礦的組成空間非常廣闊,后續人們必將能夠探索出新的組成,因此肯定也會發現性能更佳的新材料。


      像現在大多數研究一樣,該團隊中的材料科學家與一個計算小組合作來加速探索過程。


      Xin Qian表示:“通過計算篩選,可以去掉很多不感興趣的材料,事實上我們并不知道哪些材料會有這些特性,如果不需要全部測量,將會節省很多時間。例如,如果我知道我想要的材料的還原焓在200到300之間,計算小組會給出一個焓只在這個范圍內的所有材料的列表,其它不符合要求的就會直接被放棄?!?/p>


      Xin Qian指出:“目前適用太陽能熱化學制氫過程的鈣鈦礦材料的穩定性、晶體結構、相變、還原動力學和燃料生產速率等相關指標的合理參數已經被一一量化并確定范圍,下一步的研究方向將是如何對其優化以實現更高的氫氣生產效率。未來我們可能嘗試調整這些參數,以使材料性能達到更佳。比如,我們想知道它是否受到氧擴散影響或者氧氣在其表面反應會帶來什么后果。對于高度多孔的樣品結構來說,材料表面的反應可能會影響整個生產流程,那么我們可能會采用一些催化劑來提高其還原速率,以便在一定的循環時間內生產出更多的燃料?!?/p>

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      2021-03-30 20:17:21
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