可再生能源制氢探索：钙钛矿或为未来制氢材料潜力股

 

NREL研究人员分析了一种新兴的水分解技术，称为太阳能热化学制氢（STCH），该技术可能比通过常用的电解法生产氢气更节能。电解需要电力将水分解成氢气和氧气。STCH依赖于两步化学过程，其中金属氧化物暴露在高于1400℃的温度下，然后在较低温度下用蒸汽再氧化以产生氢气。

 

相关研究以《System and Technoeconomic Analysis of Solar Thermochemical Hydrogen Production》为题发表在期刊《Renewable Enenrgy》上，第一作者Zhiwen Ma表示：“（钙钛矿制氢）这是一个非常具有挑战性的领域，还有很多研究问题尚未解决，主要是在材料方面。”

 

 

氢已成为储存可再生资源产生的能量的重要载体，可替代用于运输、氨生产和其他工业应用的化石燃料。美国能源部（DOE）最近宣布的目标是在十年内将清洁氢的成本降低80%，达到每公斤1美元。

 

资料显示，太阳能热化学分两个步骤来制造太阳能氢。这两个步骤都需要高达 1400 °C 的高温，该温度由太阳能反应堆提供，该反应堆由从定日镜（镜子）反射到接收器的高度集中的阳光束加热。在反应器内部，首先是气体，然后是蒸汽，在高温下被迫通过多孔材料以分解氢气。

 

◆第一步：氧化还原惰性气体（如氩气）被迫通过多孔单片氧化还原材料（通常是金属氧化物），因此它经历热还原以释放氧气。

 

◆第二步：从水中分离氢气，蒸汽被迫通过多孔材料。水中的氧气重新氧化还原的金属氧化物，因此现在释放出氢气。

 

 

图 太阳能热化学制氢平台，图源NREL

 

该项研究着眼于系统级设计和技术经济分析，以补充正在进行的材料研发，将可能的材料集成至太阳能燃料平台中，并支持能源部的HydroGEN项目。HydroGEN通过一系列工作来探索材料，包括机器学习、缺陷计算和开发新型钙钛矿材料。研究人员需要确定钙钛矿能够承受必要的高温，同时实现性能目标。

 

这项工作展示了技术经济分析组合的一部分，这些分析侧重于氢气生产途径，每种途径都有自己的优点和缺点。例如，电解是市售的，所需的电力可能来自光伏（PV）。然而，所使用的PV电池仅捕获太阳光谱的一部分，STCH使用整个频谱，但是过于集中的太阳能热会使STCH产生化学反应。

 

研究人员指出，积极地寻找和研究适合STCH工艺的最佳材料，对于这种制氢方法是否会取得成功至关重要。对于钙钛矿而言 ，研究中的挑战之一是性能目标与高温耐受能否同时实现。

 

“现阶段不一定存在合适的材料，”团队成员Genevieve  Saur表示，“但这种分析是为我们认为如果材料满足研究界设想的一些目标和期望时，成本将在哪里提供一些参考。”