太阳能热化学制氢被认为是能源可持续利用最具潜力的途径之一, 对推进碳达峰、碳中和目标的实现, 缓解能源与环境危机具有重大的战略意义. 直接热解水虽能实现近零碳排放制氢, 然而超高的反应温度以及氢、氧产物分离难等问题, 使之难以应用于规模化产氢. 太阳能热化学循环间接分解水制氢, 通过载氧材料循环来降低直接热解水温度, 并实现氢、氧产物分步分离, 将间歇、波动、能流密度低的太阳能转化为稳定、高密度的氢气化学能, 受到广泛的关注和研究. 然而, 受限于太阳能热化学循环制氢存在的温度高、效率低、经济性差等诸多瓶颈问题, 当前研究仍停留在理论分析与实验研究阶段, 阻碍着该项技术的进一步发展. 6月11日，华北电力大学与中科院的科研人员在《科学通报》首发成果围绕太阳能热化学循环制氢, 综述了不同循环体系的发展历程及重要进展, 并对热化学循环所面临的主要挑战进行了讨论与建议, 以期为太阳能热化学循环的研究和发展提供新见解与新思路, 为太阳能燃料的高效、稳定、安全以及大规模生产奠定基础.
亮点论述：
化石能源的大量燃烧及粗放利用所导致的能源、环境问题严重威胁着人类生存和发展, 随着中国以及世界各国家和地区的碳达峰、碳中和目标相继提出, 亟须加快化石燃料主导的传统供能模式向可再生能源为主的现代用能模式转型. 太阳能热化学循环制氢技术不仅将间歇、波动、低能流密度的太阳能转化为稳定、高密度的燃料化学能, 并且降低了直接热解水超高反应温度, 实现了氢、氧产物的分步分离, 为缓解当前能源、环境问题提供了切实、可行的解决思路.
太阳能热化学循环从技术的首次提出至今, 已经过半个多世纪的发展, 目前仍然处于方案验证及实验室测试阶段, 与当前商业化的其他制氢技术路线(如化石燃料制氢、光伏电解水制氢等)相比还有一定距离. 但是, 较高的理论制氢效率(约50%)使得该技术尚有较大提升潜力. 太阳能热化学两步循环温度较高, 对太阳能聚光装置、热化学反应器及循环载氧材料稳定性要求较高. 挥发性载氧材料还原产物与O2高温分离难且二者再结合严重, 导致转化率降低. 为降低还原反应温度而引入的大量惰性吹扫气, 与载氧材料一同进入高温还原反应器, 需要额外提供太阳热能进行加热, 且惰性吹扫气分离功耗大, 导致了较大不可逆损失, 降低了热化学循环制氢效率. 非挥发性载氧材料虽避免了挥发性材料还原产物再氧化问题, 但由于其非化学计量比(δ)由反应温度及压力决定, 为了减小工作在较低氧分压条件下的较大泵功损失以及引入惰性吹扫气带来的不可逆损失, 反应过程中δ值较小. 这导致单位摩尔载氧材料的产氢量远低于化学计量比还原载氧材料. 为增加产氢量需要增加载氧材料的进料, 而大量固体显热在高、低温反应切换过程中损失导致目前热化学循环太阳能燃料转化效率不足6%. 太阳能热化学多步循环由于反应步数及循环物质的增多, 使得系统集成了必要的分离、提纯等辅助过程, 导致了较为复杂的系统流程工艺.
上述瓶颈的解决需要在以下几个层面进行深入研究, 找寻突破口.
(1) 机理层面. 从能量转化的本质出发, 探索太阳能到氢气化学能的转化机理. 在热力学、化学及材料等交叉学科层面研究太阳能热化学循环效率低的根本原因, 找寻系统不可逆损失的最大处, 明确热化学循环效率提升的突破口.
(2) 方法层面. 挥发性循环为降低反应温度而营造的较低氧分压环境, 引入了大量惰性吹扫气对氧产物浓度进行稀释, 造成了严重的能量损耗. 非挥发性循环体系为避免还原产物相变, 并减小真空泵功损耗以及惰性吹扫气损失, 进行非化学计量比还原, 导致产氢率低, 载氧材料循环过程热损失大. 因此, 需要探索固有还原反应温度低的非挥发性热化学两步循环. 太阳能热化学多步循环虽然较两步循环温度低, 然而复杂的物质循环及换热网络、较多的辅助工艺等所导致的循环效率低、技术经济性差等问题阻碍着该项技术的发展. 因此, 需要合理组织物质循环及能量转化路径、简化系统流程工艺.
(3) 材料方面. 太阳能热化学两步循环反应温度高, 对循环载氧材料的高温耐久性、循环稳定性、制氢高效性都提出了苛刻要求, 而目前的载氧材料并不能全面兼顾. 因此, 需要全面提升热化学循环载氧材料性能以实现稳定、安全、高效制氢.
(4) 技术层面. 对于太阳能热化学两步循环, 高效高温气体分离技术、高效固体显热回收技术能够有效提升热化学循环效率; 太阳能热化学多步循环方面, 需要有效的同相产物分离方法、高温耐酸反应器设计与研制以及复杂换热网络的优化等. 此外, 热化学多步循环普遍包含酸根, 中、高温环境下酸腐蚀性强等问题在反应器设计及材料选择过程中也需关注.
