研究人員已開發出一種太陽能驅動的反應器，能夠將二氧化碳和水轉化為合成氣——一種氫氣與一氧化碳的混合物，該混合物可用作生產塑料、燃料及多種工業化學品的前驅物。這項研究指向了一條熱化學途徑，旨在去碳化目前依賴化石源原料的石油化工供應鏈。
太陽能驅動的反應器為石油化工供應鏈帶來新希望
反應器的核心運作基於一個兩步驟的氧化還原循環，使用金屬氧化物材料——最常見的是氧化鈰（ceria）——這些材料在超過 1,400 °C（2,552 °F）的高温下釋放氧氣，並利用集中的太陽能熱量，然後在二氧化碳和水蒸氣的存在下重新氧化以生成合成氣。這種方法被稱為太陽熱化學燃料生產，通過直接利用集中陽光的熱量而非首先轉換為電能，繞過了光伏驅動電解的效率限制。
該過程可以調整合成氣產出的氫氣與一氧化碳比例，這在工業上相當重要，因為下游的費希爾-託普施合成或甲醇合成路徑各自需要特定的比例以有效生產目標分子。如何在無需額外分離步驟的情況下獲得正確比例，則是反應器設計所面臨的工程挑戰，這需要精確控制氧化温度和蒸汽與二氧化碳的進料比例。
在超過 1,400 °C（2,552 °F）的高温下重複運行會對反應器組件及氧化還原活性材料造成嚴重的熱應力。氧化鈰因其在多次還原-氧化循環中的結構韌性而受到青睞，但燒結——顆粒逐漸聚集以減少活性表面積——仍然是一種已知的降解機制，這限制了長期性能。研究人員在這個領域探索了摻雜氧化鈰的配方及結構多孔支架來減緩燒結，儘管在商業相關的循環次數下的耐用性尚未在大規模上得到證明。
太陽能集中器的挑戰影響反應器的產量
提供所需熱通量的太陽能集中器也引入了自身的限制。雲層覆蓋、直接的法向輻照度的季節性變化以及地理緯度都會影響反應器的產量，這意味著持續的化學生產可能需要熱能儲存整合或在低輻照期與其它熱源的混合使用。
合成氣本身並不是塑料，但它是合成甲醇、乙烯、丙烯及其他烯烴的基礎中間體，這些烯烴是聚乙烯、聚丙烯及各類聚合物的來源。如果可以以具有競爭力的成本生產太陽能衍生的合成氣，它就可以在現有化工廠中取代天然氣衍生的合成氣，只需相對適度的工藝改進。這種與既有基礎設施的兼容性是熱化學路徑相對於更激進的生產方法的一個論據。
然而，經濟前景則不太明朗。高温太陽能集中系統的資本成本相對於蒸汽甲烷重整仍然偏高，而太陽熱化學循環的能量轉化效率——通常在系統層面僅為幾個百分比——與高效光伏配合時，仍然落後於競爭的電解方法。支持者認為，直接使用熱量可以避免電能回程損失，但這一比較在很大程度上取決於系統邊界的假設和當地的太陽資源。
從實驗室到工業產出的擴展仍然是一大挑戰。實驗室規模的反應器已實現合成氣生產的概念驗證，但該規模的體積產量與商業化工廠所需的產量相去甚遠。工程擴展涉及重新設計熱交換器幾何形狀、管理高温下的氣體密封，並將顆粒或結構牀反應器與跨越數千平方米的太陽能收集器陣列整合。太陽燃料研究領域已花費超過十年的時間來推進這些轉型，歐洲和美國的幾個試點安裝正在推進反應器設計以進行商業前測試。
該研究已發表於《美國化學會期刊》中。