太陽能熱化學循環分解水制氫具有太陽能全光譜利用、無需氫氧分離、理論能源轉換率高等優勢，是一種綠色環保的制氫手段。近日，中國科學院電工研究所潔凈燃料制備課題組通過載氧材料微觀結構的設計和太陽能熱化學反應器內多尺度反應流的研究，合成了產氫性能優異的新材料母體并研制成功規模達10kW的超高溫太陽能熱化學反應器。

ABO?型鈣鈦礦材料因具有極強的氧空位調節和摻雜改性能力，成為近年來的研究熱點。項目團隊基于神經網絡模型，提出了針對無機鈣鈦礦的氧空位計算方法和高通量篩選策略，預測并合成了鉻基鈣鈦礦新母體。它可用于太陽能熱化學循環高效產氫。該研究揭示了鉻基鈣鈦礦的氧空位水解產氫機理和混合CeO?的雙相特征，獲得了其摻雜改性的調控策略，實現了449.8μmol g?1的產氫表現。研究還發現新材料反應焓熵的共增強利于促進反應進行。實驗熱力學參數以及氣固兩相熱回收和參數敏感度分析表明，太陽能到氫氣的能源轉化效率可達17.3%。

熱化學反應器是實現太陽能到化學能轉換的關鍵設備，設計制造需要綜合考慮材料的熱力學、動力學性能和反應溫度、氣體流動等因素，對溫度場分布和氣密性均有嚴格的要求。科研團隊通過對高溫太陽能熱化學反應器內參與性介質輻射與氣固多尺度反應流的研究，建立了反應器內流動、化學反應和參與性介質輻射耦合的三維非穩態數學模型，研制了超高溫（高于1400℃）太陽能熱化學反應器樣機，完成了高溫熱化學產CO和H?的多工況實驗，獲得了反應溫度、壓力和反應物濃度對熱化學循環產CO和產H?性能的影響規律。研制樣機已提供給烏茲別克斯坦科學院物理技術研究所在當地開展了實驗測試和技術示范。

鈣鈦礦材料的氫氣產量和速率對比圖

太陽能熱化學反應器產氫實驗照片

太陽能熱化學反應器產氫實驗數據

相關研究成果發表在《無機化學前沿》（Inorganic Chemistry Frontiers）和《可再生能源》（Renewable Energy）上。研究工作得到國家重點研發計劃和中國科學院國際伙伴計劃的支持。該工作由中科院電工所與烏茲別克斯坦科學院物理技術研究所合作完成。