本文由Dorottya Kriechbaumer、Vishnu Budama、Martin Roeb和Christian Sattler等作者撰写，他们均来自德国航空航天中心（DLR）未来燃料研究所，科隆，德国。该研究于2025年发表在Elsevier出版的《电化学百科全书》中，题为《燃料-氢气-氢气生产|热化学循环》。本文主要探讨了热化学循环在绿色氢气生产中的应用及其未来发展前景。
绿色氢气被认为是未来能源组合中的重要组成部分，不仅作为化学生产的原料，还作为能量载体和燃料。为了实现从化石燃料向绿色氢气的转型，需要开发新的、可持续的生产技术。太阳能热能可以直接用于氢气生产，而无需依赖电力驱动，这一过程通过热化学循环实现。热化学循环通过将单一的水热解反应分解为多个步骤，降低了反应温度，避免了高温下氢气和氧气的分离问题。本文综述了不同类型的热化学循环，包括基于相变材料的氧化还原循环、非化学计量比材料的循环以及硫基循环，并探讨了它们的发展状态、经济性及其未来工业应用的可能性。
本文详细介绍了热化学循环的工作原理及其在不同材料中的应用。热化学循环的核心是通过一系列连续的化学反应，将水分解为氢气和氧气。这些反应通常在较低的温度下进行，避免了单一水热解反应所需的高温（约2800°C）。热化学循环的主要类型包括： 1. 金属/金属氧化物循环：如FeO/Fe3O4和Zn/ZnO系统，这些系统利用多价金属氧化物的氧化还原反应，通过相变材料实现水分解。 2. 部分还原材料的循环：如铈基材料和钙钛矿，这些材料在还原过程中保持晶体结构的稳定性，且能够在较低温度下进行反应。 3. 硫基循环：如硫碘循环和硫溴循环，这些循环通常与核电站结合使用，利用高温核反应堆的热能进行水分解。
本文详细分析了不同热化学循环的热力学性能、反应条件及其在实际应用中的挑战。例如，FeO/Fe3O4系统在1600°C以上的高温下表现出良好的还原性能，但其还原温度高于氧化亚铁的熔点，导致技术实现上的困难。Zn/ZnO系统由于其优越的热力学特性，能够在较低温度下进行还原，但需要惰性气体扫气以防止逆反应。铈基材料在950°C下表现出高达39%的效率，但其还原温度仍然较高，且需要低氧压环境。钙钛矿材料由于其快速反应动力学和可调节的化学组成，成为热化学循环中的研究热点。
热化学循环为绿色氢气生产提供了一条有前景的途径，特别是在高直射太阳辐射（DNI）的地区。本文总结了不同热化学循环的优势和局限性，指出相变材料循环具有良好的热力学性能，但存在材料处理和分离问题；部分还原材料循环克服了稳定性和分离问题，但其比能量存储较低；硫基循环虽然与核热源结合表现出高效率，但其腐蚀性环境和分离问题仍需解决。未来，随着太阳能热电站和核反应堆技术的发展，热化学循环有望在绿色氢气生产中发挥重要作用。
本文的亮点在于对多种热化学循环的全面综述，特别是对不同材料系统的热力学性能和实际应用挑战的深入分析。此外，本文还提出了热化学循环在太阳能和核能结合应用中的潜力，为未来的绿色氢气生产提供了重要的理论支持和技术指导。
本文还探讨了热化学循环的经济性分析，指出目前绿色氢气的生产成本仍高于传统化石燃料制氢，但随着技术的进步和太阳能场效率的提高，未来有望实现经济可行的绿色氢气生产。此外，本文还介绍了氧气去除技术、反应器设计等关键技术，为热化学循环的实际应用提供了重要的参考。