新反应堆为有效利用阳光生产燃料铺平了道路

加利福尼亚帕萨迪纳—Sossina Haile使用一种最常见于自动清洁烤箱的常见金属,希望改变我们的能源未来。金属是氧化铈— or ceria —它是Haile及其同事开发的一项有前途的新技术的核心,该新技术将太阳能集中起来并利用它有效地将二氧化碳和水转化为燃料。

长期以来,人们一直吹捧着太阳能来解决我们的能源困境,但是尽管它既丰富又免费,但它可以’装瓶并从阳光充足的地方运到Drearier—但更耗能—世界各地。 Haile开发的过程—加州理工学院(Caltech)材料科学与化学工程教授—她的同事们可以实现这一目标。

研究人员设计并建造了一个两英尺高的原型反应器,该反应器具有石英窗和可吸收集中阳光的空腔。选矿厂“就像你小时候用的放大镜一样” to focus the sun’s rays, says Haile.

反应器的中心是二氧化铈的圆柱形衬里。卡里亚—一种金属氧化物,通常嵌入自清洁烤箱的壁中,在金属氧化物中催化分解食物和其他粘附在纸上的垃圾的反应—推动太阳驱动的反应。反应堆利用氧化铈’s ability to “exhale”在非常高的温度下从其晶体框架中吸收氧气,然后“inhale”氧气在较低温度下返回。

“这种材料的特殊之处在于它没有’释放所有氧气。当氧气离开时,这有助于使材料的框架保持完整,” Haile explains. “当我们冷却下来时,材料’热力学上最好的状态是将氧气拉回到结构中。”

Specifically, the 吸入d oxygen is stripped off of carbon dioxide (CO2)和/或水(H2O)气体分子被泵送到反应器中,产生一氧化碳(CO)和/或氢气(H2)。 H2可用于为氢燃料电池供能; CO与H2结合可用于产生合成气,或“syngas,”它是液态烃燃料的前身。同时,向气体混合物中添加其他催化剂会产生甲烷。一旦氧化铈被充氧至最大容量,就可以再次加热,并且循环可以重新开始。

为了使所有这些工作正常,反应器中的温度必须非常高—近3,000华氏度。在加州理工学院,海尔和她的学生使用电炉达到了这样的温度。但对于真实世界的测试,她说,“我们需要使用光子,所以我们去了瑞士。”在Paul Scherrer研究所’的高通量太阳模拟器,研究人员及其合作者—该研究所的奥尔多·斯坦菲尔德(Aldo Steinfeld)领导’的太阳能技术实验室—将反应堆安装在大型太阳能模拟器上,该模拟器能够传递1,500太阳的热量。

在去年春季进行的实验中,Haile和她的同事取得了最佳的二氧化碳排放率2 分离已经实现,“数量级,”她说。对于CO,反应器的效率异常高2 她说,部分分裂“because we’重新利用整个太阳光谱,而不仅仅是特定的波长。”而且与电解不同,该速率不受CO溶解度低的限制2 在水里。 Haile说,此外,反应器的高工作温度意味着可以快速催化,而无需昂贵和稀有金属催化剂(事实上,铈是稀土金属中最常见的—大约和铜一样多)。

在短期内,Haile和她的同事计划修补二氧化铈配方,以降低反应温度,并对反应器进行重新设计,以提高其效率。目前,该系统利用的能量不到接收到的太阳能的1%,其中大部分能量作为热量通过反应堆散失’或通过石英窗重新辐射。“设计反应堆时,我们没有’为控制这些损失做了很多事情,”海尔说。主要作者和前加州理工学院研究生William Chueh进行的热力学建模表明,效率可以达到15%或更高。

Haile说,最终,该过程可以在大型发电厂中采用,从而使白天和晚上都能可靠地获得太阳能发电。一氧化碳2 可以收集车辆排放的废气并转化为燃料,“但这很难”她说。一个更现实的情况可能是采用CO2 燃煤电厂的废气,并将其转化为运输燃料。“You’d有效地使用两次碳,”海尔解释。她说,或者,该反应堆可用于“zero CO2 排放物” cycle: H2O和CO2 将转化为甲烷,为产生更多二氧化碳的发电厂提供燃料2 和H2哦,要继续进行下去。

关于工作的论文,“CO的高通量太阳驱动热化学离解2 和H2O使用非化学计量的二氧化铈,”发表于12月23日的 科学。这项工作由国家科学基金会,明尼苏达州可再生能源与环境倡议和瑞士国家科学基金会资助。

由凯西·斯维蒂尔(Kathy Svitil)撰写

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