两步法太阳能高温热化学储能是利用聚焦太阳能，高温热裂解二氧化碳和水的过程。该方法可将间歇性、能量密度低、分布不均匀的太阳能转化为稳定、能量密度高、易于储存运输的太阳能燃料（合成气或氢气），实现太阳能到化学能的直接转化；由于其气固相操作简单，太阳能到化学能转化效率高，近年来受到了研究者的广泛关注。因此，如何设计性能优异的催化体系，实现二氧化碳和水的高效活化和转化具有重要意义，也十分具有挑战。

有鉴于此，中科院大连化物所王晓东研究员团队在高温热化学裂解二氧化碳和水制太阳能燃料（合成气或氢气）方面取得新进展，开发了一种CeO₂-TiO₂复合氧化物负载的镍基催化剂，并在第一步热还原过程中引入还原剂——甲烷，可以大幅提高太阳能燃料的产生速率和产量。

要点

1. 在900°C等温条件下，二氧化碳和水裂解反应生成一氧化碳和氢气的产生速率分别高达168.8和97.5mLmin^-1g^-1，是目前已有报道的最高值。

2. 甲烷部分氧化的转化率高达近100%。

3. 该催化剂经过50个氧化还原循环后，仍能够保持较高的二氧化碳和水裂解速率和甲烷转化率。

4. 详细的表征和DFT理论计算研究表明，单质镍和CeO₂-TiO₂复合氧化物存在协同效应：单质镍和镍/氧化物界面为该循环反应的活性中心，可有效活化惰性气体分子二氧化碳、水和甲烷，促进循环过程中CeO₂-TiO₂复合氧化物到Ce₂Ti₂O₇烧绿石的相变，以及铈的深度还原；循环过程中CeO₂-TiO₂复合氧化物晶格氧的嵌入与脱除为二氧化碳和水裂解，以及甲烷部分氧化提供了热力学驱动力，从而实现该催化剂的高活性和高稳定性。

参考文献：

Chongyan Ruan et al. Synergy of the catalytic activation on Ni and the CeO2–TiO2/Ce2Ti2O7 stoichiometric redox cycle for dramatically enhanced solar fuel production. Energy Environ. Sci., 2019,12, 767-779

DOI: 10.1039/C8EE03069C

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c8ee03069c#!divAbstract