可再生能源制氫探索：鈣鈦礦或為未來制氫材料潛力股

 

NREL研究人員分析了一種新興的水分解技術，稱為太陽能熱化學制氫（STCH），該技術可能比通過常用的電解法生產氫氣更節能。電解需要電力將水分解成氫氣和氧氣。STCH依賴于兩步化學過程，其中金屬氧化物暴露在高于1400℃的溫度下，然后在較低溫度下用蒸汽再氧化以產生氫氣。

 

相關研究以《System and Technoeconomic Analysis of Solar Thermochemical Hydrogen Production》為題發表在期刊《Renewable Enenrgy》上，第一作者Zhiwen Ma表示：“（鈣鈦礦制氫）這是一個非常具有挑戰性的領域，還有很多研究問題尚未解決，主要是在材料方面。”

 

 

氫已成為儲存可再生資源產生的能量的重要載體，可替代用于運輸、氨生產和其他工業應用的化石燃料。美國能源部（DOE）最近宣布的目標是在十年內將清潔氫的成本降低80%，達到每公斤1美元。

 

資料顯示，太陽能熱化學分兩個步驟來制造太陽能氫。這兩個步驟都需要高達 1400 °C 的高溫，該溫度由太陽能反應堆提供，該反應堆由從定日鏡（鏡子）反射到接收器的高度集中的陽光束加熱。在反應器內部，首先是氣體，然后是蒸汽，在高溫下被迫通過多孔材料以分解氫氣。

 

◆第一步：氧化還原惰性氣體（如氬氣）被迫通過多孔單片氧化還原材料（通常是金屬氧化物），因此它經歷熱還原以釋放氧氣。

 

◆第二步：從水中分離氫氣，蒸汽被迫通過多孔材料。水中的氧氣重新氧化還原的金屬氧化物，因此現在釋放出氫氣。

 

 

圖 太陽能熱化學制氫平臺，圖源NREL

 

該項研究著眼于系統級設計和技術經濟分析，以補充正在進行的材料研發，將可能的材料集成至太陽能燃料平臺中，并支持能源部的HydroGEN項目。HydroGEN通過一系列工作來探索材料，包括機器學習、缺陷計算和開發新型鈣鈦礦材料。研究人員需要確定鈣鈦礦能夠承受必要的高溫，同時實現性能目標。

 

這項工作展示了技術經濟分析組合的一部分，這些分析側重于氫氣生產途徑，每種途徑都有自己的優點和缺點。例如，電解是市售的，所需的電力可能來自光伏（PV）。然而，所使用的PV電池僅捕獲太陽光譜的一部分，STCH使用整個頻譜，但是過于集中的太陽能熱會使STCH產生化學反應。

 

研究人員指出，積極地尋找和研究適合STCH工藝的最佳材料，對于這種制氫方法是否會取得成功至關重要。對于鈣鈦礦而言 ，研究中的挑戰之一是性能目標與高溫耐受能否同時實現。

 

“現階段不一定存在合適的材料，”團隊成員Genevieve  Saur表示，“但這種分析是為我們認為如果材料滿足研究界設想的一些目標和期望時，成本將在哪里提供一些參考。”