《Science》：太阳能利用实现可储存和可移动

美国和瑞士研究人员设计出一种新的太阳能利用装置。这种装置从植物处获得灵感，利用金属氧化物为媒介，将太阳能转化为“可储存”和“可移动”的能量。
 
有突破
 
英国广播公司12月23日报道，研究人员利用石英窗和特殊孔洞将太阳光线聚拢到一个圆筒里。筒壁布满二氧化铈。
 
金属铈的氧化物在加热和冷却过程中，结合氧原子能力呈现差异。研究人员借助这种特性，在使用催化剂和设定某种特定温度的条件下，向装置导入二氧化碳和水，生成一氧化碳和氢气。
 
如果单独把二氧化碳或水引入这一装置，将单独生成一氧化碳或氢气。
 
这一装置底部设一通道，用于导出氢气和一氧化碳。氢气可以给汽车用氢燃料电池提供能量，而一氧化碳是原料气“合成气”的主要组成部分。
 
另外，装置同样可以用于生成甲烷。
 
设计者说，铈是储量最丰富的稀土元素，对二氧化铈的应用是太阳能利用装置设计中一个重大突破。
 
这一发现相关论文24日刊载于美国《科学》期刊。
 
可改进
 
设计者说，人们或许因为新装置以二氧化碳、水和阳光为原料产生能量而觉得装置在模拟植物光合作用。
 
装置设计者之一、美国加州理工学院教授索西娜·黑尔说，装置工作过程看似植物光合作用，但“仅仅看似而已”，实际不同。
 
新装置当前只是个雏形，效率不高，仅能转化、储存0.7%至0.8%进入装置的太阳能。
 
研究人员相信，改进装置绝热性能和缩小用于聚拢太阳能的特殊孔洞，能够把太阳能转化率提高到19%，达到商用要求。
 
看前景
 
黑尔告诉英国广播公司记者，装置可用于生产运输用燃料或应用在大型发电厂。
 
英国光电企业“太阳能世纪”首席技术官丹尼尔·戴维斯认为新装置“非常令人激动。”
 
与在屋顶上装太阳能板相比，“在撒哈拉沙漠建一个大企业，生产液态燃料不是更好？”
 
太阳能利用技术发展迅速，但仍面临能量利用效率、是否经济、如何储存等挑战。
 
黑尔说，开发太阳能利用装置与一个国家是否积极推行低碳政策密切相关。
 
“如果施行低碳政策，研究这类装置的进展会快得多。”
 

英文摘要：

High-Flux Solar-Driven Thermochemical Dissociation of CO₂ and H₂O Using Nonstoichiometric Ceria

William C. Chueh¹, Christoph Falter², Mandy Abbott¹, Danien Scipio¹, Philipp Furler², Sossina M. Haile¹,* and Aldo Steinfeld²,³,*

Because solar energy is available in large excess relative to current rates of energy consumption, effective conversion of this renewable yet intermittent resource into a transportable and dispatchable chemical fuel may ensure the goal of a sustainable energy future. However, low conversion efficiencies, particularly with CO₂ reduction, as well as utilization of precious materials have limited the practical generation of solar fuels. By using a solar cavity-receiver reactor, we combined the oxygen uptake and release capacity of cerium oxide and facile catalysis at elevated temperatures to thermochemically dissociate CO₂ and H₂O, yielding CO and H₂, respectively. Stable and rapid generation of fuel was demonstrated over 500 cycles. Solar-to-fuel efficiencies of 0.7 to 0.8% were achieved and shown to be largely limited by the system scale and design rather than by chemistry.

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