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              全光譜太陽能光熱化學利用研究取得新進展
              发稿时间:2019-08-05         作者:唐三力 洪慧          来源:分布式供能與可再生能源實驗室     【字号:

                利用太陽能制取氫氣、醇類、氨、烴類等燃料是可再生能源領域的重要研究方向,也是中科院液態陽光倡議的主要內容。光熱複合催化是近年來新興的太陽能-燃料轉化方式,指熱能、光能協同作用下的催化反應,其相對于熱化學反應具有溫度低的優勢,相對于光化學反應具有速率加快的優點,近年來逐漸成爲美國、日本、歐盟等國的研究熱點。 

                在當前的光熱複合催化研究中,主要通過在非聚光的半導體光催化反應中引入電加熱,觀察反應路徑、選擇性和産率的變化規律。在分解CO2和水制碳氫燃料方面,相比于室溫下的光催化反應,光熱複合催化可提高20-40倍反應速率;相比于單純太陽能熱化學,可將反應溫度從高于1200℃降低到200-400℃。然而,電加熱的光催化反應仍存在以下問題:(1)非聚光太陽能反應器面積較大,電加熱溫度場與光場難以協同;(2)在太陽能聚光反應器上,輸入的光能和熱能均具有較高能流密度,常規光催化劑不能對其進行有效利用。 

                针对上述问题,工程热物理研究所分布式供能與可再生能源實驗室设计提出了全光谱太阳能聚光光热复合催化反应器,如图1所示。與以往電加熱光催化反應不同,該反應器直接通過氙燈模擬5-30倍聚焦太陽光,照射進反應器內的液固或氣固反應床上。反應床內的納米光熱催化劑可將聚光太陽能同時、同地轉化爲光生載流子和熱聲子,促進了溫度場和光場的協同,不需電加熱維持反應溫度。該反應器具有提升光熱複合反應速率和太陽能-燃料效率的潛力。 

                在上述研究基礎上,進一步合成了具有光熱複合作用的等離激元金屬負載TiO2納米催化劑,並在15倍聚光比下開展了甲醇水重整制氫實驗研究。負載等離激元金屬的TiO2可利用280-780nm紫外-可見太陽光産生光生載流子。同時,紅外波段太陽光可在TiO2中激發熱聲子,在催化劑表面産生80-100℃局域熱能,活化反應物分子。實驗結果顯示,光熱複合産氫速率1120mL gcat-1 h-1相比于只利用紫外光的半導體光催化體系提高了50倍;同等催化劑用量下,與太陽能熱化學體系的分解水産氫速率相近,而太陽聚光比有望降低20-30。經過50h重複實驗,光熱複合催化劑的微觀形貌和催化活性保持穩定。 

                上述工作得到了国家自然科学基金和中國科學院前沿科学重点研究项目的支持,相关研究成果为基于太阳能燃料的可再生能源系统研发提供了一条新的途径。 

               

               
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