摘 要

气候危机迫使人类逐渐转向开发清洁能源，其中利用太阳能制备高能燃料（STF）展现出巨大潜力，并提供了利用现有能源基础设施的可能性。然而，太阳燃料目前仍处于早期研究阶段，受到能量转换效率低和有效扩大生产规模的制约。聚光技术（CSE）随着太阳热电厂的迅速发展而逐渐成熟，聚光对STF的效率、技术经济性等十分重要，因而该技术被视为STF生产过程必不可少的手段。本综述概括了当前CSE和STF的技术路线，分析了两个领域不同技术方案的兼容性，并探讨了CSE在光电化学、热化学和光热协同催化用于STF生产时，影响太阳能转换效率和产物选择性等问题的理论机制。

背景介绍

未来可持续能源的核心挑战之一是将太阳能转化为高能燃料，这可以有效利用现有能源基础设施，降低能源转型成本。STF转化包括光催化、光伏+电化学和太阳能驱动的光热催化等不同技术路线。CSE技术与这些方法相结合，为可持续能源制氢提供了潜在解决方案（图1）。

图1. 未来能源系统中的高能燃料生产和当前主流的聚光技术。

图文详解

• 光电化学

粉末光催化（PC）是取代传统化石燃料制氢的最佳选择，但其效率仍需提高。相比之下，光伏+电化学技术（PEC和PV-EC）的效率更高，但受制于高成本。CSE与PEC结合可提高效率，降低III-V族半导体使用，明显降低商业化成本，展示了大规模可再生能源制氢的潜力。

在PC中，为达到制氢成本目标，能量转换效率需要达到5-10%。然而，当前PC的最高效率仅为1-2%。光伏+电化学技术能实现10-15%的能量利用效率，但由于高成本的III-V族半导体材料，制氢成本较高，无法与天然气重整竞争。结合CSE和PEC的方案可以提高STF能量转换效率，同时降低制造成本，展示了其在大规模制氢中的潜力（图2、图3）。

图2. 光电化学装置与聚光技术的结合。

图3. 聚光对光电化学制氢成本的影响。

• 热化学

热化学方法自20世纪70年代以来广泛研究，包括两步法和多步法。两步法通过类似热力循环的机制运作，使用金属氧化物催化剂，需要在约1500 ℃的高温下运行。多步法要求较低的运行温度，但中间产物通常具有腐蚀性，难以在工业中应用。CSE技术结合热化学反应器在1500到2000 K的温度下已经能够实现规模化太阳燃料的生产（图4）。未来的挑战在于设计有效的热回收系统和热隔离技术，以进一步提高效率。

图4. CSE技术驱动热化学的设备示例。

• 光热协同催化

在实际材料中，多种机制辐射响应共存并涉及光子、声子和电子的耦合相互作用，主要包括光电过程和光热过程，比如人工光合作用过程的热力学能级图说明在H₂O氧化反应侧主要是光化学或者光电化学主导，而在CO₂还原反应侧主要是由热化学推动。协同光热催化在降低活化能壁垒、减轻催化剂表面碳沉积等方面具有巨大应用潜力，为传统热催化过程的改造和脱碳提供了技术路线（图5）。

图5. 协同光热催化驱动甲烷干重整。

• 聚光效应测量

聚光下的光电和光热效应定量测量关键，尤其在微观尺度上。目前，光电响应的测量研究主要集中在光伏领域，将这些方法应用于CSE辅助STF的研究仍处于起步阶段。微观尺度上的光热效应测量对光化学和光热化学等研究至关重要，因为化学反应通常发生在1 nm到1 μm的微观尺度范围内（图6）。

图6. 微观尺度上的光热/光电效应测量。

总结与展望

本文全面总结了在太阳能燃料生产领域与聚光技术相结合的案例和可行性，涵盖了聚光辅助的光电化学、热化学和光热共催化等不同方案。此外，光电和光热响应之间的差异主导着反应路径和反应条件，利用聚光技术还在微器件功能化和在调节化学反应方面选择性显示出巨大的潜力。同时，为了全面了解微观层面的聚光响应，如在原子分辨率下的光电和热效应，发展相应的高分辨率原位表征方法十分重要。

原文信息

相关成果以“Solar fuel production through concentrating light irradiation”为题发表在Green Energy & Environment期刊，文章通讯作者为西安交通大学刘茂昌教授。

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https://doi.org/10.1016/j.gee.2024.01.001

撰稿：原文作者

编辑：GEE编辑部