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

随着化石燃料污染和气候变化问题日益受到关注，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局限：受热力学特性制约，其有效运行需极高温度，这阻碍了商业化应用。为应对该挑战，研究团队开发了新型铁贫乏型镍铁氧体（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，而铁贫乏型铁氧体则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。实验结果表明，这种新型氧化物实现了每克0.528%的水-氢转换效率——较先前最佳材料0.250%的基准值提升逾一倍。

本研究不仅开发出高效催化剂，更成功揭示了其深层机制，因而尤为值得关注。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：两种铁位点间的氧化还原振荡与氢气产量直接相关——这一发现将指导未来更高性能催化剂的设计。

"本研究的意义在于提出了利用富铁矿物的经济可持续制氢路径，" 金亨奎教授表示，"同时为利用太阳能或工业废热作为制氢能源开辟了道路"。韩正宇教授补充道："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。"

本研究获得循环创新基金会科技项目、韩国国家研究基金会及韩国材料科学研究院支持。