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担忧，氢作为一种燃烧时仅排放水的清洁能源载体正受到关注。在多种制氢路径中，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。该过程的核心在于金属氧化物的作用，它们循环吸收并释放氧气，如同"氧气海绵"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，它们需要极高温度才能有效工作，这阻碍了其商业化应用。为攻克此难题，研究团队开发了一种新型贫铁镍铁氧体（Fe-poor NiFe₂O₄，简称NFO）。传统氧化物通常依赖非化学计量反应实现较小氧吸收/释放量，而贫铁铁氧体展现出独特的相变机制，即便在较低温度下也能实现显著更高的氧容量。实验结果表明，该新型氧化物每克材料实现了0.528%的水转化制氢效率——是此前最优材料0.250%基准值的两倍有余。

本研究不仅开发出高效催化剂，更成功揭示了其深层机制。通过实验技术与计算模拟相结合，研究人员首次在原子层面识别出氧化铁材料中驱动制氢过程的"结构活性位点"。他们进一步揭示：两类铁位点间的氧化还原波动与氢气产量直接相关——这一发现将为未来设计更高效催化剂提供指导。

"本研究的重要意义在于提出了利用富铁氧化物实现经济可持续制氢的路径，"金亨奎教授表示，"同时还为利用太阳能或工业废热作为制氢能源开辟了道路"。韩正祐教授补充道："这项工作有力证明了实验科学与计算科学如何通过交叉合作揭示基本原理。"

本研究获得Circle创新科技基金会、韩国国家研究基金会及韩国材料科学研究院的资助。