根據(jù)美國(guó)可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）研究人員的分析，鈣鈦礦材料可能具有在以可再生方式生產(chǎn)氫氣的過(guò)程中發(fā)揮重要作用的潛力。
NREL研究人員分析了一種新興的水分解技術(shù)，稱(chēng)為太陽(yáng)能熱化學(xué)制氫（STCH），該技術(shù)可能比通過(guò)常用的電解法生產(chǎn)氫氣更節(jié)能。電解需要電力將水分解成氫氣和氧氣。STCH依賴(lài)于兩步化學(xué)過(guò)程，其中金屬氧化物暴露在高于1400℃的溫度下，然后在較低溫度下用蒸汽再氧化以產(chǎn)生氫氣。
相關(guān)研究以《System and Technoeconomic Analysis of Solar Thermochemical Hydrogen Production》為題發(fā)表在期刊《Renewable Enenrgy》上，第一作者Zhiwen Ma表示：“（鈣鈦礦制氫）這是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的領(lǐng)域，還有很多研究問(wèn)題尚未解決，主要是在材料方面。”
氫已成為儲(chǔ)存可再生資源產(chǎn)生的能量的重要載體，可替代用于運(yùn)輸、氨生產(chǎn)和其他工業(yè)應(yīng)用的化石燃料。美國(guó)能源部（DOE）最近宣布的目標(biāo)是在十年內(nèi)將清潔氫的成本降低80%，達(dá)到每公斤1美元。
資料顯示，太陽(yáng)能熱化學(xué)分兩個(gè)步驟來(lái)制造太陽(yáng)能氫。這兩個(gè)步驟都需要高達(dá) 1400 °C 的高溫，該溫度由太陽(yáng)能反應(yīng)堆提供，該反應(yīng)堆由從定日鏡（鏡子）反射到接收器的高度集中的陽(yáng)光束加熱。在反應(yīng)器內(nèi)部，首先是氣體，然后是蒸汽，在高溫下被迫通過(guò)多孔材料以分解氫氣。
◆第一步：氧化還原惰性氣體（如氬氣）被迫通過(guò)多孔單片氧化還原材料（通常是金屬氧化物），因此它經(jīng)歷熱還原以釋放氧氣。
◆第二步：從水中分離氫氣，蒸汽被迫通過(guò)多孔材料。水中的氧氣重新氧化還原的金屬氧化物，因此現(xiàn)在釋放出氫氣。
圖 太陽(yáng)能熱化學(xué)制氫平臺(tái)，圖源NREL
該項(xiàng)研究著眼于系統(tǒng)級(jí)設(shè)計(jì)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，以補(bǔ)充正在進(jìn)行的材料研發(fā)，將可能的材料集成至太陽(yáng)能燃料平臺(tái)中，并支持能源部的HydroGEN項(xiàng)目。HydroGEN通過(guò)一系列工作來(lái)探索材料，包括機(jī)器學(xué)習(xí)、缺陷計(jì)算和開(kāi)發(fā)新型鈣鈦礦材料。研究人員需要確定鈣鈦礦能夠承受必要的高溫，同時(shí)實(shí)現(xiàn)性能目標(biāo)。
這項(xiàng)工作展示了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析組合的一部分，這些分析側(cè)重于氫氣生產(chǎn)途徑，每種途徑都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。例如，電解是市售的，所需的電力可能來(lái)自光伏（PV）。然而，所使用的PV電池僅捕獲太陽(yáng)光譜的一部分，STCH使用整個(gè)頻譜，但是過(guò)于集中的太陽(yáng)能熱會(huì)使STCH產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。
研究人員指出，積極地尋找和研究適合STCH工藝的最佳材料，對(duì)于這種制氫方法是否會(huì)取得成功至關(guān)重要。對(duì)于鈣鈦礦而言 ，研究中的挑戰(zhàn)之一是性能目標(biāo)與高溫耐受能否同時(shí)實(shí)現(xiàn)。
“現(xiàn)階段不一定存在合適的材料，”團(tuán)隊(duì)成員Genevieve Saur表示，“但這種分析是為我們認(rèn)為如果材料滿足研究界設(shè)想的一些目標(biāo)和期望時(shí)，成本將在哪里提供一些參考。”
