太阳能热化学制氢的过程(太阳能光解水制氢)

导语：太阳能热化学分解水制氢技术

氢气（H2）具有较高的比能密度，燃烧时只产生水，是一种很有吸引力的无碳替代燃料。然而，与碳氢化合物不同的是，地球上没有相当数量的H2可以开采。因此，H2必须从其他化合物中制得。以太阳能为基础的路线特别有趣，因为阳光有能力提供充足的能量来满足人类的需求。然而，有效地捕获和储存这种分散能源资源在技术和经济上面临重大挑战。在目前提出的太阳能收集和转换的方法中，太阳能热分解水（STWS）是利用整个太阳光谱来分解水，而没有中途能量形式转换带来的损失。因此，STWS有潜力实现理论上较高的太阳能-氢气效率。

STWS涉及使用镜子集中阳光，可以通过多种方式配置（如图1）。然后将收集到的太阳能集中在一个反应器上，将其加热到高温，促使H2O吸热分解为H2和O2。

图1 利用(a)发电塔和定日镜和(b)抛物面盘聚光器集中太阳辐照的方法； (c)两步太阳能热化学分解水循环示图

STWS又包括太阳能直接热分解水制氢、太阳能热化学多步循环制氢两种。

直接热分解水制氢也即一步分解水制氢。虽然这一简单的过程很简单，但由于即使是最小的反应也需要最低2200℃的反应温度，因此不切实际。此外，由于热分解水同时产生H2和O2，需要高温的H2/O2分离步骤，以防止产物H2和O2重新反应生成水和爆炸性混合物。

但是，太阳能热化学多步循环制氢法可以将水的分解分为两个或两个以上的步骤，分别产生H2和O2，从而避免了高温气体分离的问题。一般来说，两步分解水的循环依赖于金属氧化物的还原和随后的再氧化，并需要还原温度为1000℃，但也远低于一步法直接分解水所需要的2200℃。多步(＞两步)循环通常利用金属与苛刻的酸或碱结合，通常包括电解步骤；这些循环中有许多在900℃以下的最高温度下工作。由于危险化学品、复杂的设计以及与众多工艺步骤相关的复合低效率，多步循环不太可能实现经济生产氢气所需的高效率。

在两步STWS中，金属氧化物在低O2分压下通过集中阳光加热到高温进行还原并生成O2，如化学方程式（1）所示，其中MxOy是氧化态，M是可以驱动STWS的金属氧化物的还原态（对于多价态金属而言，视还原条件而定，还原态也可能是低价氧化物。）。在第二步中，被还原的金属M暴露在蒸汽中，蒸汽对材料进行再氧化并形成H2，如化学方程式（2）所示。

虽然STWS在概念上很简单，但实施这个过程是复杂的，如果STWS要成为一个高效和商业上可行的过程，还有很多需要改进的地方。STWS的三个主要相关方面需要进一步考虑和发展：首先，筛选确定进行氧化还原反应的最佳活性物质；其次，优化系统操作条件以实现效率最大化；第三，设计高效的STWS反应器，包括向活性物质提供太阳能热能，对活性物质以及反应进行控制。

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