中国科学院工程热物理研究所刘启斌研究员课题组在《科学通报》发表评述文章，围绕太阳能热化学循环制氢，综述了不同循环体系的发展历程及重要进展，并对热化学循环所面临的主要挑战进行了讨论与建议，以期为太阳能热化学循环的研究和发展提供新见解与新思路，为太阳能燃料的高效、稳定、安全以及大规模生产奠定基础。
太阳能热化学制氢被认为是能源可持续利用最具潜力的途径之一，对推进“碳达峰、碳中和”目标的实现，缓解能源与环境危机具有重大的战略意义。直接热解水虽能实现近零碳排放制氢，然而超高的反应温度以及氢、氧产物分离难等问题，使之难以应用于规模化产氢。太阳能热化学分解水制氢将间歇、波动、能流密度低的太阳能转化并储存为氢气化学能，实现了太阳能的高密度储存与远距离输送。太阳能热化学循环间接分解水制氢，通过载氧材料循环来降低直接热解水反应温度，并实现氢、氧产物分步分离。其因具有理论效率高、无温室气体及有害物质排放等优势，受到了广泛的关注与研究。然而，太阳能热化学循环所面临的反应温度高、太阳能燃料转化效率低、技术经济性差等诸多瓶颈问题，制约了其进一步的发展。
中国科学院工程热物理研究所刘启斌研究员课题组在《科学通报》发表评述文章，围绕太阳能热化学循环分解水制氢，分别对太阳能热化学两步循环及多步循环等不同体系的发展历程及重要进展进行了系统性综述，从热力学、反应动力学、材料制备与反应设计等多角度总结了太阳能热化学循环制氢存在的瓶颈问题。针对太阳能热化学两步循环制氢，分别从理论研究、模拟分析、反应器设计、实验测试等方面重点综述了具有较高理论效率的挥发性热化学循环，以及具有良好循环稳定性的非挥发性热化学循环的相关代表性研究进展。文章总结了热化学循环所面临的再氧化严重、不可逆损失大等影响其进一步发展及工程化应用的瓶颈问题，阐明了两步循环太阳能热化学燃料转化效率低的主要原因，并对突破这些瓶颈问题的研究方向进行了讨论与建议。太阳能热化学多步循环方面，重点对三步硫碘循环以及四步铜氯循环进行了综述，总结了多步反应性能、产物分离、反应器设计、系统集成与优化等方面的研究进展，阐明了多步循环所面临的同相产物分离难及循环体系复杂等瓶颈问题。最后，分别从机理、方法、材料以及技术方面，对太阳能热化学循环研究方向进行了讨论与建议，以期为该技术的发展提供新见解与新思路。
太阳能热化学循环分解水制氢示意图
