斯坦福大学工程师推出改变游戏规则的电气化热反应堆

该图片描述的是电感加热超材料反应器，陶瓷泡沫挡板中装有催化剂。它正在通过反向水气变换反应产生一氧化碳和水。图片来源：Dolly Mantle

斯坦福大学工程学院的研究人员设计并演示了一种新型热化学反应器，它能够利用电力而不是燃烧化石燃料产生许多工业流程所需的大量热量。该设计于 8 月 19 日发表在《焦耳》（Joule）杂志上，与现有的化石燃料技术相比，体积更小、成本更低、效率更高。

斯坦福大学电气工程系副教授、论文资深作者乔纳森-范（Jonathan Fan）说："我们有一个用于热化学过程的电气化可扩展反应堆基础设施，它具有理想的加热和传热性能。从本质上讲，我们正在将反应器的性能推向其物理极限，并使用绿色电力为其提供动力。"

大多数标准热化学反应堆的工作原理是燃烧化石燃料加热流体，然后流体流入反应堆内的管道--就像锅炉向老房子里的铸铁散热器输送热水一样，但绝缘性能更好，温度也更高。这需要相当多的基础设施，而且沿途有很多机会损失热量。

新型电气化反应堆利用磁感应来产生热量，这与电磁炉中使用的过程相同。感应加热无需通过管道输送热量，而是利用电流和磁场之间的相互作用，在反应堆内部产生热量。举例来说，如果你想通过感应加热一根钢棒，你可以在钢棒上缠绕一根导线，并在线圈中通入交流电。这些电流会产生一个振荡磁场，进而在钢中感应出电流。由于钢并非完美的导电体，部分电流会转化为热量。这种方法能有效地同时加热整块钢材，而不是从外向内产生热量。

将感应加热技术应用于化工行业并不是简单的加热。工业反应器需要在三维空间中均匀地产生和分配热量，而且效率要比普通炉灶高得多。研究人员确定，他们可以通过使用交替速度极快的高频电流，结合导电性能极差的反应器材料，最大限度地提高效率。

研究人员利用电子工程学副教授、论文共同作者胡安-里瓦斯-达维拉（Juan Rivas-Davila）开发的新型高效电子设备产生了所需的电流。然后，他们利用这些电流感应加热反应器核心中由导电性差的陶瓷材料制成的三维晶格。范说，晶格结构与材料本身同样重要，因为晶格空隙会人为地进一步降低导电性。这些空隙可以填充催化剂，即需要加热才能启动化学反应的材料。这使得热传导效率更高，也意味着电气化反应堆可以比传统的化石燃料反应堆小得多。

"你正在加热一个紧靠催化剂的大表面积结构，因此你产生的热量可以很快到达催化剂，从而推动化学反应，"范说。"此外，它还简化了一切。你不需要从其他地方转移热量并在途中损失一些热量，也不需要任何管道进出反应器--你可以对其进行完全隔热。从能源管理和成本角度来看，这都是理想的选择。"

研究人员利用该反应器为一种化学反应提供动力，这种反应被称为反向水气变换反应，使用的是斯坦福大学化学教授马修-卡南（Matthew Kanan）开发的一种新型可持续催化剂。该反应需要较高的热量，能将捕获的二氧化碳转化为有价值的气体，可用于制造可持续燃料。在概念验证演示中，反应器的效率超过 85%，表明它几乎能将所有电能转化为可用热量。该反应器还展示了促进化学反应的理想条件--二氧化碳以理论预测的速度转化为可用气体，而新的反应器设计往往达不到这种效果。

"当我们把这些反应堆做得更大或在更高的温度下运行时，它们就会变得更加高效，"范说。"这就是电气化的故事--我们不只是要取代现有的东西，我们还要创造更好的性能。"

范、达维拉、卡南和他们的同事已经在努力推广他们的新反应器技术，并扩大其潜在应用范围。他们正在调整相同的想法，设计用于捕获二氧化碳和制造水泥的反应器，并与石油和天然气行业的工业合作伙伴合作，了解这些公司采用这项技术的需求。他们还在进行经济分析，以了解全系统的可持续解决方案是什么样的，以及如何使这些解决方案更经济实惠。

范说："电气化为我们提供了重塑基础设施、突破现有瓶颈、缩小和简化这类反应堆的机会，此外还能使它们脱碳。工业脱碳将需要新的、系统级的方法，我认为我们才刚刚起步。"

编译自/ScitechDaily