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ACS Energy Lett：南科大林蒙課題組在太陽(yáng)能高溫?zé)峄瘜W(xué)燃料制備領(lǐng)域取得新進(jìn)展
來(lái)源：南方科技大學(xué)新聞網(wǎng) 2022-08-15
導(dǎo)讀：近日，南方科技大學(xué)機(jī)械與能源工程系林蒙課題組報(bào)道了一種基于電化學(xué)氧泵技術(shù)提升太陽(yáng)能熱化學(xué)燃料制備轉(zhuǎn)化效率的新策略。相關(guān)論文以“Enhanced Solar-to-Fuel Efficiency of Ceria-Based Thermochemical Cycles via Integrated Electrochemical Oxygen Pumping”為題作為補(bǔ)充封面發(fā)表在能源工程技術(shù)領(lǐng)域期刊ACS Energy Letters（影響因子：23.991）。
通過(guò)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的二氧化鈰兩步熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)——高溫還原、低溫氧化，可將CO/H2O分解為CO/H2，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能燃料的制備。其燃料轉(zhuǎn)化效率主要取決于高溫還原過(guò)程的反應(yīng)進(jìn)度。熱力學(xué)分析表明，還原反應(yīng)過(guò)程中提升反應(yīng)溫度、同時(shí)減小氧分壓能夠顯著增大反應(yīng)進(jìn)度。傳統(tǒng)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)采用惰性氣體吹掃、真空泵抽吸等氧分壓控制方法。然而，這些方法或由于降低了反應(yīng)溫度或由于過(guò)大的額外能耗，難以大幅提升燃料轉(zhuǎn)化效率。受制氧器和氧傳感器中氧氣分離技術(shù)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種利用電化學(xué)氧泵提升燃料制備轉(zhuǎn)化效率的新策略。所設(shè)計(jì)的“電化學(xué)氧泵”是一種三層對(duì)稱的固體氧化物高溫氧泵（LSM/YSZ/LSM）緊湊的與反應(yīng)器中二氧化鈰多孔熱化學(xué)反應(yīng)介質(zhì)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱化學(xué)反應(yīng)氛圍的原位調(diào)控。電化學(xué)氧泵以少量電能為代價(jià)，通過(guò)靈活的電壓調(diào)控，在不降低反應(yīng)溫度的條件下可大幅減小熱化學(xué)還原過(guò)程中的氧分壓，從而實(shí)現(xiàn)提升還原反應(yīng)進(jìn)度和燃料轉(zhuǎn)化效率的目的。研究表明，新方法可使燃料轉(zhuǎn)化效率提升為傳統(tǒng)方法的1.64倍，并獲得更加均勻的濃度和溫度場(chǎng)分布，有利于其高溫下的熱機(jī)械性能。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，如增加二氧化鈰層厚度、提升氧氣擴(kuò)散率和電壓調(diào)控等，可實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能效率的進(jìn)一步提升至10%。此外，新方法避免了流動(dòng)及其造成的熱能損失，有利于縮短反應(yīng)時(shí)間、減小熱應(yīng)力、提高熱能利用率和簡(jiǎn)化反應(yīng)器結(jié)構(gòu)。相關(guān)研究為提升熱化學(xué)燃料制備效率提供了新思路，為反應(yīng)器設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。
圖1 電化學(xué)氧泵輔助的二氧化鈰熱化學(xué)反應(yīng)示意圖、參數(shù)和轉(zhuǎn)化效率分析林蒙教授為論文通訊作者，機(jī)械與能源工程系科研助理白萬(wàn)棟和碩士生黃浩東為共同第一作者。南科大是論文第一單位，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院為合作單位。此項(xiàng)研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、南科大碳中和能源研究院及南科大計(jì)算科學(xué)與工程中心的支持。
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