An iron oxide 'oxygen sponge' for efficient thermochemical hydrogen production

随着对化石燃料污染和气候变化的日益关注，氢作为一种燃烧时仅排放水的清洁能源载体正获得重视。在各种制氢路径中，热化学水分解——利用热能将水分解为氢气和氧气——被认为尤其具有前景。该过程的核心是金属氧化物的作用，它们通过循环吸收和释放氧气，如同"氧海绵"般高效运作。

然而，大多数传统氧化物存在关键缺陷：受热力学特性限制，其有效运行需极高温度。这阻碍了其商业化可行性。为攻克此难题，研究团队开发了新型贫铁镍铁氧体（Fe-poor NiFe2O4/NFO）。常规氧化物通常依赖非化学计量反应，氧吸收释放量较小；而贫铁铁氧体展现出独特的相变机制，能在更低温度下实现显著更高的氧容量。实验数据显示，新型氧化物实现每克材料0.528%的水-氢转化效率——超越先前最佳材料0.250%基准值两倍以上。

本研究尤为突出的不仅是高效催化剂的开发，更在于团队成功揭示了其深层机制。通过结合实验技术与计算模拟，研究人员首次在原子层面识别出氧化铁材料中驱动制氢的"结构活性位点"。他们进一步揭示两类铁活性位点间的氧化还原振荡与氢产量直接相关——这一发现有望指导未来设计更高效的催化剂。

"本研究的意义在于提出利用储量丰富的氧化铁实现经济可持续的制氢路径"，"同时为利用太阳能或工业余热作为制氢能源开辟新途径"，陈亨奎教授表示。韩正佑教授补充道："这项工作有力证明了实验科学与计算科学如何通过跨学科合作协同揭示基本原理。"

本研究获得创新科学技术循环基金会计划、韩国国家研究基金会及韩国材料科学研究院支持。