近年来，太阳能燃料高温热化学制备技术为太阳能高效利用提供了一条极具潜力的途径，利用金属氧化物两步氧化还原反应将H2O/CO2转为H2/CO，成功将不稳定的太阳能转化为高品质的化学能，极大方便了太阳能的储存与利用。然而，由于两步热化学氧化还原反应需要交替循环进行，两步反应之间的巨大温差导致了大量不可逆热量损失，也使燃料制备无法连续进行。为了解决这一问题，东北大学魏琳扬副教授与香港理工大学An Liang教授合作，提出了一种集成热回收的太阳能驱动热化学等温膜反应器设计方案，将氧化还原材料CeO2（混合离子电子传导膜）设计成单侧封口的管状，在聚焦太阳能提供的高温作用下，当温度达到约1400℃时，膜两侧的氧分压梯度可以驱动电子e-传导和O2-离子通过CeO2膜迁移，实现H2O和CO2的连续分裂，由于还原和氧化反应在膜两侧同时进行，从而实现了可再生燃料的连续生产。相关工作以“A design of solar-driven thermochemical reactor integrated with heat recovery for continuous production of renewable fuels”发表在《Energy Conversion and Management》。
为了进一步提高太阳能转化效率，在管状膜反应器一端填充了多孔介质，使进入的冷气体与出来的高温产物形成逆流热交换，通过多孔介质增强换热来提高热回收效率，为了优化该热回收设计，建立了多孔介质气固两相耦合传热模型与反应器整体热力学模型，通过分析设计参数对其性能的影响来得到最佳设计方案，最后即使在考虑了各种热损失的情况下，其太阳能转化效率依旧可以达到10.58%。为推动太阳能燃料热化学制备技术发展提供了新的思路。
图1. 集成热回收的太阳能驱动热化学等温膜反应器设计
图2. 不同设计参数下的热化学反应性能
小结：研究者提出了一种集成热回收的太阳能驱动热化学等温膜反应器设计，利用高温下膜两侧的化学势梯度驱动连续分离H2O和CO2，一方面消除了常规两步热化学反应之间的温差，可以减少大量显热损失，另一方面可以在时间上实现氧化和还原反应同步进行，实现燃料连续生产；热回收设计的增加又进一步减少了热量损失，同时也减少了反应器内部的温度波动，更加有利于热化学反应稳定进行。该工作为提高太阳能燃料热化学制备性能提供了新思路。
