【论文要点】
○ 首次实现H2O和CO2还原制取合成气的整个体系，在基于聚光塔式太阳能设备中完成。
○ 50 kW 太阳能聚光体系(大面积)，证明Ceria基材料的热氧化还原能力。
○ 可连续的，氧化还原循环制取H2和CO，适用于FT合成。
○ 在不实施热回收的情况下实现了 4.1% 的太阳能→合成气转化效率
【基于热化学氢气制造技术】
为了更方便地介绍该研究成果，首先给大家讲解下基于热化学氢气制造技术。所谓的热化学氢气制造技术就是，通过多化学反应的组合，和比较稳定的热反应条件，把水分解成氢气和氧气的过程。当把太阳能作为热源时，该反应和光催化分解水反应有得一拼。暂时没有两种反应（光催化制取氢气和热化学制取氢气）的效率与成本的直观对比资料。
图1.基于热化学氢气制造技术原理图（左），
澳洲进行的大面积研究示范田（右）
水的直接分解需要2000℃或更高的温度，这是很难达到的。此外，蒸汽重整消耗化石燃料，这是目前常用的制氢方法。相比之下，Funk 和 Reinstrom 在 1966 年提出了一种结合多种化学反应来实现所需反应的方法，例如 Solvay 工艺。论文中提到利用CeO2等金属氧化物（下方的反应式）在高温中失去氧气（释放氧气），与水反应得到氧气（释放氢气）的过程，金属氧化物仿佛催化剂一般把水进行分解。
相关研究和综述：
https://doi.org/10.1016/j.solener.2005.12.005
https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2021.666191/full
另外一方面，日本新潟大学的研究团队，在2018年10月到2022年之间，在澳大利亚设置了500KW的太阳光集光用于热化学氢气制造技术的研究开发(图1)。该大学的児玉竜也(T.KODAMA)教授从上世纪90年代起便开始了相关研究。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jmsjmag/22/S_1_ISFA_97/22_S_1_ISFA_97_S1_440/_pdf
【当把原料从水换成了水和二氧化碳，成就了这篇joule】
图2. 位于西班牙IMDEA Energy太阳能塔式合成气制造工厂
它集成了三个子系统：(1) 太阳能塔式聚光设施，(2)太阳能反应堆，以及(3) 气转液 (GtL) 装置(制取柴油或航空煤油)。
2017 年，该团队在西班牙 IMDEA 能源研究所建造了一座太阳能燃料生产厂。该工厂由 169 个太阳跟踪反射板组成，这些反射板将太阳辐射定向并集中到安装在塔顶的太阳能反应堆中。然后，集中的太阳能通过热量驱动反应器中的氧化还原（氧化还原）反应循环，该反应器包含由CeO2制成的多孔结构。CeO2 - 不被消耗可以反复使用, 将注入反应器的水和 CO 2转化为合成气。随后，合成气被送入气液转换器，最终被加工成液态碳氢化合物燃料，包括煤油和柴油。
图3. 氧化还原循环期间的 RPC 温度、
反应器压力和气体产物（O2、CO 和 H2 ）释放速率的时间变化
图3为氧化还原循环期间的RPC 温度、反应器压力和气体产物（O2、CO 和 H2 ）释放速率的时间变化。H2和 CO 的产率分别在9.4 ± 0.8 L min -1和 5.4 ± 0.4 L min -1后不久达到峰值,分别单调递减,直到氧化结束温度达到654°C 时, 在该节点二氧化铈完全再被氧化。在整个氧化过程中，总共产生了 48.9 ± 3.9 L H2和 24.4 ± 2.0 L CO(P.S.: Domen教授的100平方米的试验田，光催化分解水一天有1.8kL的氢气产生！！)。另外值得注意的是两个氧化还原步骤生成物的比→
(H2+ CO):O2= 2.03 ± 0.21，表明H2O和CO2分别选择性地生产H2和CO，没有任何副产物被检出来。另一方面，注意进料反应物的摩尔比在 H2 O:CO2= 4.5左右，这是因为需要过量的水才能获得 FT 合成气所需要的H2和CO比。
图3为该体系在多个连续循环过程中的性能测试，展示了良好的稳定性。
图3. 循环测试数据
【写在最后】
“这个太阳能塔式燃料厂的运行设置与工业去化石燃料相关，为可持续航空燃料的生产树立了一个技术里程碑，” Aldo Steinfeld说。
在论文中报告的工厂运行的9天期间，太阳能反应堆的能源效率（约为 4%。Steinfeld 说，他的团队正在集中精力改进设计，以将效率提高到 15% 以上。例如，他们正在探索优化二氧化铈结构以吸收太阳辐射的方法，并开发回收氧化还原循环期间释放的热量的方法。这项工作得到了瑞士国家教育、研究和创新秘书处以及欧盟地平线 2020 研究和创新计划的支持。
https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(22)00286-0
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