高溫熱化學裂解二氧化碳和水制太陽能燃料研究獲進展

近日，中國科學院大連化學物理研究所航天催化與新材料研究中心研究員王曉東團隊在高溫熱化學裂解二氧化碳和水制太陽能燃料（合成氣或氫氣）方面取得新進展，相關研究成果以全文的形式發表於《能源和環境科學》（Energy Environ. Sci.）上。

兩步法太陽能高溫熱化學儲能是利用聚焦太陽能，高溫熱裂解二氧化碳和水的過程。該方法可將間歇性、能量密度低、分布不均勻的太陽能轉化為穩定、能量密度高、易於儲存運輸的太陽能燃料（合成氣或氫氣），實現太陽能到化學能的直接轉化；由於其氣固相操作簡單，太陽能到化學能轉化效率高，近年來受到研究者的廣泛關注。因此，如何設計性能優異的催化體系，實現二氧化碳和水的高效活化和轉化具有重要意義，也十分具有挑戰性。

在前期水裂解研究工作中（AIChE J），該團隊開發了一種CeO2-SnO2複合氧化物相變材料，可有效降低第一步熱還原溫度，提高氫氣的產量。然而該方法的水裂解速率較低，氫氣的產生速率和循環穩定性有待進一步提高。在此基礎上，該團隊開發了一種CeO2-TiO2複合氧化物負載的鎳基催化劑，並在第一步熱還原過程中引入還原劑——甲烷，可以大幅提高太陽能燃料的產生速率和產量。研究發現，在900°C等溫條件下，二氧化碳和水裂解反應生成一氧化碳和氫氣的產生速率分別高達168.8和97.5mLmin-1g-1，是目前已有報道的最高值。此外，甲烷部分氧化的轉化率高達近100%。該催化劑經過50個氧化還原循環後，仍能夠保持較高的二氧化碳和水裂解速率和甲烷轉化率。詳細的表徵和DFT理論計算研究表明，單質鎳和CeO2-TiO2複合氧化物存在協同效應：單質鎳和鎳/氧化物界面為該循環反應的活性中心，可有效活化惰性氣體分子二氧化碳、水和甲烷，促進循環過程中CeO2-TiO2複合氧化物到Ce2Ti2O7燒綠石的相變，以及鈰的深度還原；循環過程中CeO2-TiO2複合氧化物晶格氧的嵌入與脫除為二氧化碳和水裂解，以及甲烷部分氧化提供了熱力學驅動力，從而實現該催化劑的高活性和高穩定性。該工作為設計高效催化體系用於太陽能熱化學儲能技術提供了重要的理論依據和全新的策略。

以上研究工作得到國家自然科學基金、中科院戰略性先導科技專項等的資助。

大連化物所高溫熱化學裂解二氧化碳和水制太陽能燃料研究獲進展

來源：中國科學院大連化學物理研究所

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