工程师开发水分解太阳能系统以生产氢燃料

艺术家的构想是一座商业化的制氢厂，该厂利用阳光将水分解以产生清洁的氢燃料。图片由科罗拉多大学博尔德分校提供

科罗拉多大学博尔德分校的工程师设计了一种太阳能热系统，该系统可用于分解水以生产清洁的氢燃料。

科罗拉多大学博尔德分校的研究小组开发了一种全新的技术，该技术利用阳光的力量将水有效地分解为氢和氧的成分，从而为将氢广泛用作清洁的绿色燃料铺平了道路。

CU-Boulder团队设计了一种太阳热系统，其中的太阳光可以通过各种各样的镜子集中到中央塔顶上的单个点上，该塔顶高达几百英尺。CU-Boulder教授Alan Weimer表示，该塔将收集由反射镜系统产生的热量，达到大约2500华氏度（1350摄氏度），然后将其传递到包含有称为金属氧化物的化学物质的反应器中。

Weimer说，随着金属氧化物化合物的加热，它会释放出氧原子，从而改变其材料组成，并使新形成的化合物寻找新的氧原子。该团队表明，向系统中添加蒸汽（这可能是通过在反应器中将水沸腾，而集中的阳光照射到塔上而产生的）将导致水分子中的氧气粘附到金属氧化物的表面，从而释放出氢分子作为氢气收集。

科罗拉多大学博尔德分校的多管太阳能反应器的实验室模型，可用于分解水以生产清洁的氢燃料。照片由科罗拉多大学博尔德分校提供

化学和生物工程部门的魏默说：“我们在这里设计的东西与其他方法截然不同，坦率地说，以前没有人认为这是不可能的。”“在阳光下分解水是可持续氢经济的圣杯。”

关于这一主题的论文发表在8月2日的《科学》杂志上。团队成员包括韦默和副教授查尔斯·穆斯格雷夫（Charles Musgrave），第一作者和博士生克里斯托弗·穆希奇（Christopher Muhich），博士后研究员詹娜·马丁内克（Janna Martinek），本科生凯拉·韦斯顿（Kayla Weston），前CU研究生Paul Lichty，前CU博士后研究员Xinhua Liang和前CU研究员Brian Evanko 。

化学和生物工程部门的穆斯格雷夫说，CU方法和其他开发的将水分解的方法之间的主要区别之一是在相同温度下进行两个化学反应的能力。尽管没有工作模型，但传统理论认为，通过金属氧化物工艺生产氢需要将反应器加热至高温以除去氧气，然后将其冷却至低温，然后注入蒸汽以重新氧化该化合物以释放出收集氢气。

穆斯格雷夫说：“更常规的方法既需要控制反应堆中温度从热态到冷态的转变，又需要将蒸汽引入系统中。”“我们系统的重大创新之一是温度没有波动。整个过程是通过打开或关闭蒸汽阀来驱动的。”

Muhich说：“就像您将使用放大镜来生火一样，我们可以集中阳光直到它真正变热，然后使用它来驱动这些化学反应。”“虽然我们可以轻松地将其加热到超过1,350摄氏度，但我们希望将其加热到可能发生这些化学反应的最低温度。温度升高会导致快速的热膨胀和收缩，从而可能损坏化学材料和反应堆本身。”

另外，CU-Boulder生物前沿研究所的教员韦默说，传统的两步分解水的想法也浪费了时间和热量。他说：“一天只有几小时的阳光。”

该研究得到了美国国家科学基金会和美国能源部的支持。

借助新的CU-Boulder方法，用于燃料电池或存储的氢气量完全取决于金属氧化物的量（由铁，钴，铝和氧的混合物组成）以及多少蒸汽引入系统。团队提出的一种设计是建造直径约1英尺长，数英尺长的反应器管，并在其中填充金属氧化物材料，然后将它们堆叠在一起。一个产生大量氢气的工作系统将需要许多高塔才能从围绕每个塔的数英亩的镜子中收集集中的阳光。

Weimer说，大约两年前，新设计开始在团队中渗透。“当我们看到可以使用这种更简单，更有效的方法时，就需要改变思维方式，” Weimer说。“我们必须开发一种理论来解释它，并使它对其他科学家和工程师来说是可信的和可理解的。”

尽管有发现，但这种太阳能热反应器的商业化可能还需要数年的时间。科罗拉多州生物精炼和生物燃料中心（C2B2）的执行主任魏默说：“由于天然气的价格如此之低，因此没有动力燃烧清洁能源。”“将碳排放到大气中将必须受到巨额罚款，否则化石燃料的价格将不得不上涨。”

C2B2是由科罗拉多州博尔德分校，科罗拉多州矿业学院，科罗拉多州立大学和金州国家可再生能源实验室牵头的科罗拉多州能源研究合作组织的下属机构。该合作伙伴与行业合作伙伴，公共机构和其他机构合作，将可再生能源技术商业化，支持该州和国家的经济增长，并对未来的劳动力进行教育。

有关化学和生物工程系的更多信息，请访问http://www.colorado.edu/chbe/。有关C2B2的更多信息，请访问http://www.c2b2web.org。有关生物前沿研究所的更多信息，请访问http://biofrontiers.colorado.edu。

出版物：Christopher L. Muhich等人，“通过等温氧化还原循环分解水来高效生成H2”，《科学》，2013年，第1期。 341，不。 6145，第540-542页； DOI：10.1126 / science.1239454

图像：科罗拉多大学博尔德分校