像氧化铈（CeO2）和氧化锌（ZnO）这样的金属氧化物在高温太阳能反应器中充当可再生的“氧化还原介质”。它们通过在两种状态之间化学循环来工作：在暴露于强烈太阳热时释放氧气，然后在冷却时从蒸汽或二氧化碳中剥离氧气以生产燃料。
通过将氧气释放与燃料生产分离开来，这些材料解决了气体分离的关键工程挑战。这个两步过程可以产生纯氢气或一氧化碳，而不会产生危险的高温气体混合物。
两步热化学循环
金属氧化物的有效性在于它们能够进行可逆的还原和氧化反应。该过程通过特定的两步机制将太阳热能直接转化为化学能。
第一步：太阳热还原
循环开始时，将金属氧化物暴露在反应器中的浓缩太阳辐射下。这会产生极高的温度环境。
在这种强烈的热量下，材料被迫释放一部分氧原子。这种转变使金属氧化物处于缺氧状态，有效地为其充能化学能。
第二步：低温再氧化
在第二阶段，反应器温度降低。在此阶段，将反应物气体——特别是蒸汽（H2O）或二氧化碳（CO2）——引入系统。
由于金属氧化物缺氧，它在化学上不稳定并且“渴望”氧气。它会积极地从引入的蒸汽或CO2中剥离氧原子，以恢复到其原始的稳定状态。
合成燃料的生产
从反应物气体中剥离氧气的行为产生了最终的能源产品。
当金属氧化物从蒸汽中去除氧气时，会留下氢气（H2）。如果使用二氧化碳，则会产生一氧化碳（CO）。金属氧化物现在已再生，可以重新开始循环。
理解核心优势
虽然直接热解（直接使用热量分解水）在理论上是可能的，但它带来了巨大的工程挑战。金属氧化物的用途正是为了规避这些问题。
解决分离问题
直接分解水会在同一容器中同时产生氢气和氧气。在极高的温度下分离这两种气体在技术上非常困难且危险，因为存在爆炸风险。
时间分离
金属氧化物促进了时间分离。氧气在第一步中释放，氢气（或CO）在第二步中产生。由于这两种气体在不同时间产生，因此无需复杂的高温膜分离。
对燃料生产的影响
在选择太阳能燃料路径时，反应物气体的选择决定了您的产出。
- 如果您的主要重点是清洁氢气生产：在再氧化步骤中引入蒸汽，以生产纯氢气供燃料电池或工业使用。
- 如果您的主要重点是合成碳氢化合物：引入二氧化碳（或CO2和蒸汽的混合物）以生产一氧化碳或合成气，它们是液态合成燃料的前体。
金属氧化物充当一个强大、可重复使用的化学引擎，将间歇性的太阳热能转化为可储存、高价值的燃料。
总结表：
| 特征 | 太阳热还原（第一步） | 再氧化（第二步） |
|---|---|---|
| 能源来源 | 浓缩太阳热 | 化学反应（较冷） |
| 材料状态 | 变为缺氧 | 恢复到稳定状态 |
| 过程 | 释放氧气（$O_2$） | 从反应物中剥离氧气 |
| 输出 | “充电”的金属氧化物 | 氢气（$H_2$）或CO |
| 主要优点 | 能量储存 | 气体分离与燃料生产 |
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参考文献
- Harry L. Tuller. Solar to fuels conversion technologies: a perspective. DOI: 10.1007/s40243-017-0088-2
本文还参考了以下技术资料 Kintek Solution 知识库 .
