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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(huán)制取太陽能燃料被認為是具有發(fā)展前景的聚光太陽能熱利用方式之一。聚光太陽能可實現(xiàn)不同聚光比條件下驅動碳氫燃料參與的化學反應和太陽能互補系統(tǒng)的燃料轉化。

太陽能燃料制備的主要問題在于熱化學循環(huán)反應溫度高、輻射熱損失大、不可逆損失嚴重，導致能量轉換效率低。為解決該問題，中國科學院工程熱物理研究所分布式供能與可再生能源實驗室研究人員提出聚光太陽能化學鏈循環(huán)方法。

該方法的主要原理是：天然氣在聚光太陽能作用下還原載氧體生成CO和H2，被還原的載氧體與空氣等反應進行載氧體的再生，CO和H2即為所需的太陽能燃料。該方法可將熱化學反應溫度從1000℃以上降低至600℃左右，降低太陽能集熱島的輻射熱損失和熱化學反應的不可逆損失，具有將太陽能利用效率提升約5~10%的潛力。

圖1.聚光太陽能與甲烷互補系統(tǒng)

高反應轉化率和循環(huán)穩(wěn)定性的載氧體材料是實現(xiàn)聚光太陽能化學鏈制取太陽能燃料的關鍵。為提高燃料轉化率與合成氣選擇性，工程熱物理所研究人員與美國北卡羅來納州立大學、西佛吉尼亞大學研究團隊合作，研制出高反應性、高選擇性的復合離子電子導體（MIEC）載氧體，深入探索復合離子電子導體載氧體的循環(huán)反應性。與單獨離子電子導體載氧體相比，新型復合載氧體可將反應轉化率從~20%提升至90%以上，且達到接近100%的合成氣選擇性；復合載氧體在50次循環(huán)反應中具有較高循環(huán)穩(wěn)定性。

為進一步提高循環(huán)反應性、降低反應溫度，研究人員從反應分離及工藝流程優(yōu)化入手，通過反應器的設計和反應循環(huán)的分離過程對化學鏈制氫反應的反應路徑進行優(yōu)化，進一步提升反應性能。

圖2.天然氣化學鏈制氫反應示意圖

圖3.天然氣化學鏈制氫反應性能結果

該團隊研發(fā)出多孔蜂窩型化學鏈反應器，探究Ni基載氧體在該反應器上的天然氣化學鏈制氫反應性能。與傳統(tǒng)的甲烷重整反應制氫（約800℃）相比，通過化學鏈循環(huán)方法可將反應溫度降低至600℃以下，該反應溫度可與低聚光比的槽式聚光太陽能結合，降低輻射熱損失，提升太陽能利用效率。該反應實現(xiàn)甲烷化學鏈制氫的高效轉化，甲烷轉化率可達90%以上，同時30次循環(huán)反應表明其循環(huán)反應性與穩(wěn)定性優(yōu)異。聚光太陽能化學鏈循環(huán)方法實現(xiàn)高效利用太陽能和減少排放溫室氣體，實現(xiàn)高效、低碳、清潔的太陽能利用。

該研究有利于實現(xiàn)聚光太陽能化學鏈制取太陽能燃料，為解決當前聚光太陽能熱化學能量轉換效率低問題提供方法。研究工作得到國家自然科學基金重大研究計劃項目的支持。