Optimizing dense particles for efficient thermochemical fuel generation through a unified particle-level model

文献情報

出版日 2023-11-09
DOI 10.1039/D3TA05437C
インパクトファクター 12.732
著者

Shuai Deng


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要旨

Two-step thermochemical H2O/CO2 splitting offers a promising approach to convert intermittent solar energy into storable fuels. However, achieving efficient reaction kinetics in dense particles requires a comprehensive understanding of the bulk diffusion, surface reactions and concentration of local species. In this study, we present a comprehensive 1-D numerical model that accounts for gas–solid mass transfer, surface reactions, and bulk diffusion in reacting particles. The model was validated using previously reported experimental data for CeO2 in the temperature range from 1173 to 1473 K. We used a resistance model to accurately quantify the rate-limiting steps. Our findings indicated that surface kinetics generally represent the primary limiting factor for small particle sizes, and the particles with a radius exceeding 60 μm, undergoing reduction at an oxygen partial pressure equal to 10−8 atm, experience rate limitations due to gas-phase mass transfer. In contrast, under extreme conditions, such as particle radius of 1 cm and diffusion coefficient of less than 10−6 cm2 s−1, bulk diffusion became one of the rate-limiting steps. This comprehensive modeling approach has potential to be applied to other candidate materials in thermochemical cycles, enabling fast material screening and structural designs.

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Journal of Materials Chemistry A

Journal of Materials Chemistry A
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