太阳能热化学电解工艺（STEP）实现二氧化碳零排放生产社会必需品的研究

为应对全球变暖危机，研究人员开发了太阳能热化学电解工艺（STEP），通过整合光伏发电与高温电解技术，实现了CO2零排放生产氢气、金属、漂白剂等社会必需品。该技术利用全光谱太阳能驱动高温电解反应，效率超50%，为碳中和工业流程提供了创新解决方案，对缓解气候变化具有重要意义。

　　

论文解读：
全球气候变化的核心驱动力是大气中不断攀升的二氧化碳浓度。工业革命以来，CO₂浓度从历史波动范围的235±50 ppm激增至425 ppm，导致气候紊乱和生态危机。传统工业生产如钢铁、水泥和化学品制造贡献了全球40%的CO₂排放，亟需革命性技术突破。

美国乔治华盛顿大学Stuart Licht团队在《Invention Disclosure》发表的创新研究提出太阳能热化学电解工艺（STEP），通过协同利用太阳光的紫外-可见光与红外热能，实现了社会必需品的零碳生产。该技术突破性地将光伏发电与高温熔盐电解结合：光伏组件转化紫外-可见光为电能驱动电解，而废弃的红外热能则用于加热电解体系至800-950°C，显著降低电解电位。例如，水分解制氢的电压从室温1.23V降至高温0.6V，CO₂电解转化效率达50%以上。

关键技术包括：1）多波段太阳能分频利用系统；2）高温熔盐（如Li₂CO₃、NaOH）电解槽设计；3）串联电解反应器优化；4）太阳能塔集中供能系统。

研究结果揭示：

1. 能源效率突破：STEP在950°C熔融碳酸盐中电解CO₂，单次光伏输出可驱动三级串联反应，太阳能转化效率较传统光伏电解提升300%。
2. 多元化产品线：成功验证CO₂→CO/碳（反应1-3）、水→H₂（ΔE_redox降幅61%）、铁矿→零碳钢铁（Fe³⁺→Fe）等路径，同时联产高纯度O₂支持氧燃料燃烧。
3. 经济可行性：规模化分析显示STEP制氢成本（2610美元/吨）仅为天然气重整+碳捕获技术的50%，且副产品价值可覆盖氧气生产成本。

这项研究的意义在于：首次实现太阳能全光谱驱动的工业脱碳闭环，其模块化设计可适配现有太阳能热电站。通过将CO₂转化为碳基材料或燃料，STEP兼具负碳排放潜力，为《巴黎协定》目标提供技术支撑。更深远的是，该工艺重塑了高耗能产业（如铝镁冶炼、氯碱工业）的能源逻辑，证明可再生能源可直接嵌入核心工业流程，而非仅作为电力补充。随着太阳能塔成本降至2美元/瓦，STEP有望在十年内将大气CO₂恢复至前工业水平。