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ACS Energy Lett：南科大林蒙課題組在太陽能高溫熱化學燃料制備領域取得新進展

來源：南方科技大學新聞網 2022-08-15

導讀：近日，南方科技大學機械與能源工程系林蒙課題組報道了一種基于電化學氧泵技術提升太陽能熱化學燃料制備轉化效率的新策略。相關論文以“Enhanced Solar-to-Fuel Efficiency of Ceria-Based Thermochemical Cycles via Integrated Electrochemical Oxygen Pumping”為題作為補充封面發表在能源工程技術領域期刊ACS Energy Letters（影響因子：23.991）。

通過太陽能驅動的二氧化鈰兩步熱化學循環反應——高溫還原、低溫氧化，可將CO/H2O分解為CO/H2，實現太陽能燃料的制備。其燃料轉化效率主要取決于高溫還原過程的反應進度。熱力學分析表明，還原反應過程中提升反應溫度、同時減小氧分壓能夠顯著增大反應進度。傳統反應器的設計采用惰性氣體吹掃、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溫度或由于過大的額外能耗，難以大幅提升燃料轉化效率。

受制氧器和氧傳感器中氧氣分離技術的啟發，研究團隊提出了一種利用電化學氧泵提升燃料制備轉化效率的新策略。所設計的“電化學氧泵”是一種三層對稱的固體氧化物高溫氧泵（LSM/YSZ/LSM）緊湊的與反應器中二氧化鈰多孔熱化學反應介質結合，實現對熱化學反應氛圍的原位調控。電化學氧泵以少量電能為代價，通過靈活的電壓調控，在不降低反應溫度的條件下可大幅減小熱化學還原過程中的氧分壓，從而實現提升還原反應進度和燃料轉化效率的目的。研究表明，新方法可使燃料轉化效率提升為傳統方法的1.64倍，并獲得更加均勻的濃度和溫度場分布，有利于其高溫下的熱機械性能。通過參數優化，如增加二氧化鈰層厚度、提升氧氣擴散率和電壓調控等，可實現太陽能效率的進一步提升至10%。此外，新方法避免了流動及其造成的熱能損失，有利于縮短反應時間、減小熱應力、提高熱能利用率和簡化反應器結構。相關研究為提升熱化學燃料制備效率提供了新思路，為反應器設計提供了理論指導。

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