新型制氢装置可以将太阳能直接转化为氢
2019/10/15 13:29:17
2003
据http://arstechnica.com/网站报道，科学家制造出一种可以直接将太阳能转化为氢的装置。就可再生能源的可利用性而论，太阳能的易利用性无可厚非，但是太阳能的开发利用也面临着挑战，虽然太阳能很容易转换成热能和电能，但是我们却不能将这些能量以足够高的密度存储起来用于交通运输。这就解释了为什么人们要花费巨大的人力物力来探索诸如生物燃料和电解制氢。在能量转化过程当中，每增加一步反应过程，就会相应的降低产能效率。
上述问题是在《科学》杂志的一篇文章中提出的，作者发明了一种装置，它可以使用太阳能直接将水分解，释放氧和氢。同时该装置还可以转换二氧化碳，将其转变为一氧化碳和氧气。更棒的是，它不需要任何外加催化剂，它所使用的催化剂为铈化合物，而铈元素的储量与铜元素一样丰富，并且在经过数百个反应周期后还可以保持稳定。
这一设备的结构非常简单。它的工作原理可以简单的视为一个聚焦镜，直射阳光通过透明石英窗进入一个专为内部反射而设计的反应室，反应室十分高效，可以捕获大部分入射光子。据作者称，反应器的设计尺寸可以确保多重内部反射，有效的捕获入射太阳能，表观吸收率超过了0.94，接近理想黑体的极限。
一旦完成光子吸附，这些光子将转化为热量，反应器内温度将以140°C/分钟持续上升超过1250°C，直到稳定于1400-1600°C之间。这样的高温足以促使催化剂（装于多孔圆缸中的二氧化铈）发生化学变化。
当反应达到高温阶段时，二氧化铈就会失去自身的两个氧原子，通过向多孔圆缸中注入惰性气体，可以源源不断的向装置外流出氧气，可以持续一个多小时。
一旦氧气产量变少，装置温度将会下降到900°C，这时反应物将泵入反应室，在催化剂的作用下水蒸气将失去其两个氧原子用于二氧化铈重组，这一反应过程可以快速、高效的释放氢，反应过程可以在10分钟内完成。接下来泵入二氧化碳气体，可以在反应器内制造一氧化碳。
该装置在最初的100个反应周期内很不稳定，经研究后发现这与二氧化铈在反复加热条件下的结构重组过程有关。一旦二氧化铈重组成为大颗粒，反应器即达到稳定，并且可以持续稳定运行到400个反应周期之后。
同时这一系统也存在着一些缺陷：装置需要持续的注入惰性气体，并且注入的水和二氧化碳必须是纯净的，以此来阻止其他化学物质堆积于多孔材料之上，而纯净水的生产有着很高的能量要求。系统会产生大量的热量，这些废热可以收集起来再利用。
该系统可以对一氧化碳和氢生产过程进行切换。可以利用这两种材料生产甲醇，供燃料电池使用，还可以将它们结合制造更加复杂的烃类。或许还可以将该系统作为碳回收系统的一部分使用。
