双流体喷雾燃烧合成可控制备高性能多孔笼状CaO微球用于热化学储能研究

为解决钙循环(CaL)技术中CaO基储热材料因烧结导致的循环性能衰减问题，研究人员开发了新型双流体喷雾燃烧(SC)合成技术，成功制备出具有多孔笼状结构的CaO微球。通过系统调控雾化氧流量(6-10 L min-1)、溶液浓度(0.5-1 mol L-1)等参数，获得累积储能密度(AESD30)达40.73 kJ g-1的高性能材料，为太阳能热发电提供了新型储热载体。

　　

在全球能源转型背景下，太阳能热发电(CSP)面临间歇性供电的挑战，而传统熔盐储热系统存在腐蚀性强、工作温度受限(<560°C)等缺陷。钙循环(CaL)技术通过CaCO₃/CaO的可逆反应(ΔH_r⁰=±178 kJ mol^-1)实现热化学储能，但循环过程中CaO的烧结会导致孔隙坍塌和反应活性下降。华中科技大学的研究团队在《Separation and Purification Technology》发表论文，创新性地采用双流体喷雾燃烧(SC)合成技术，通过精确控制雾化参数制备出具有独特多孔笼状结构的高性能CaO微球。

研究团队建立了包含四区管式炉的SC合成系统，采用双流体喷嘴实现前驱体溶液的雾化与燃烧。通过调控雾化氧流量(6-12 L min^-1)、溶液浓度(0.5-1 mol L^-1)、柠檬酸/Ca²⁺比例(CA/Ca²⁺)及炉温(500-800°C)等关键参数，结合SEM、XRD等技术系统分析了产物的微观结构和循环性能。

雾化氧流量的影响
当雾化氧流量从6增至10 L min^-1时，燃烧不稳定性增加但显著细化晶粒尺寸(73→54 nm)和颗粒粒径(62.29→39.89 μm)，比表面积提升45%(16.82→24.38 m² g^-1)，使30次循环累积储能密度(AESD₃₀)从32.52提高至38.56 kJ g^-1。但流量超过10 L min^-1会导致燃烧过度剧烈。

溶液浓度与CA/Ca²⁺比例
高浓度(1 mol L^-1)或高CA/Ca²⁺比例会增加液体粘度，产生更大颗粒但更小晶粒(因火焰温度降低)。而0.5 mol L^-1样品虽初始活性较低，却展现出最优的循环稳定性，AESD₃₀达40.73 kJ g^-1。

炉温调控
500-700°C范围内温度对性能影响微弱，但800°C会加剧烧结。相关分析揭示平均粒径(d_ave)是关键指标：较小d_ave提升初始碳化活性但加速循环衰减，而较大晶粒尺寸和中孔体积分数有助于维持长期性能。

该研究通过SC合成实现了CaO微观结构的精准调控，所制备的多孔笼状微球能有效缓冲循环过程中的体积变化，其内部空腔结构可防止孔隙阻塞。相比传统溶胶-凝胶法(需多步处理)和模板法(依赖昂贵模板)，这种基于双流体雾化的技术具有工序简单、可连续生产等优势，为规模化制备高性能储热材料提供了新思路。研究建立的工艺参数-性能关联模型，特别是对颗粒尺寸与晶粒尺寸的平衡调控策略，对开发新一代太阳能热发电储热系统具有重要指导意义。