利用聚焦太阳能通过金属氧化物两步热化学循环分解水和二氧化碳是太阳能转化和利用的有效途径，其理论效率可达50%以上。近十几年来，铈基氧化物凭借其优异的稳定性和快速的反应速率受到广泛的关注和研究。应能源和燃烧领域国际顶级综述类期刊《Progress in Energy and Combustion Science》邀请，我实验室副主任西安交通大学吕友军教授课题组联合德国航空航天中心相关研究人员撰写并发表了题为“Solar fuels production: Two-step thermochemical cycles with cerium-based oxides”的文章，总结了十几年来铈基氧化物两步热化学循环的研究成果，详细讨论了反应原理、材料特性以及已开发和测试的太阳能反应器，帮助读者深刻全面地了解该领域发展现状和关键问题，并为该研究领域的未来发展提出了开创性建议。
图1 基于氧化铈的两步循环中各类能量损耗（以H2O分解为例）
热化学循环的能量转化效率同时取决于材料的氧化还原性能和反应器设计及其运行模式。在材料方面，氧化铈两步热化学循环建立在氧空位平衡反应的基础上，其还原过程中的显著熵增是其性能优于其他氧载体材料的重要原因。然而，较高的还原焓则增加了其还原难度，限制了燃料产量的提高。尽管近年来大部分研究致力于通过适当的离子掺杂（比如Zr、Hf等）来降低还原难度，进而降低还原温度，研究经验显示在还原温度低于一定温度时，还需进一步提升材料的氧化性能。因此，未来的材料改性研究应致力于平衡材料还原反应和氧化反应性能。
系统层面，固体氧化物显热回收难度大和除氧耗能高是制约两步热化学循环系统效率进一步提高的重要因素。固体显热损失源于两步反应中的温度差异。由于两步反应温度较高且要求有截然不同的气氛条件，两步反应的氧载体难以直接接触，大大增加了固体间直接回热的难度。现有的反应系统中，尚未真正实现固体显热的稳定回收。未来的研究中，可尝试使用换热工质，实现两步反应的间接回热。现有的研究中，还原反应阶段的除氧多采用惰性气体吹扫来实现，这带来大量气体消耗和相应的显热损失。苏黎世联邦理工学院的学者改用真空泵和惰性气体协同除氧，使太阳能向化学能的转化效率提高到了5.25%，是太阳能燃料生产领域的巨大进步，展现了太阳能两步热化学循环燃料生产的美好前景。
图2瑞士苏黎世联邦理工学院开发的热化学循环反应器
基于氧化铈内部氧离子传输特性，吕友军课题组提出将氧化铈做成氧渗透膜，氧化和还原在两侧同时进行的高温透氧膜反应方式并进行了实验验证。此种膜反应器具有燃料连续生产、无固体显热损失、两侧压力差别和易于整合放大的特点，为该领域的发展提供了新思路。
图3 高温透氧膜反应器反应原理
原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S036012851830131X
