氫能作為終極清潔能源可有效規(guī)避溫室效應(yīng)，近年來化學(xué)鏈制氫 (CLHP) 作為一種高效靈活的能源轉(zhuǎn)化與制備平臺獲得廣泛關(guān)注，但該技術(shù)對載氧體的選擇具有十分嚴格的要求，需同時具備較高的氧容量、可調(diào)控的反應(yīng)活性并在苛刻工況下依然能保持結(jié)構(gòu)完整。

載氧體在晶格氧釋放和恢復(fù)過程中發(fā)生燒結(jié)、團聚和失活，是制約化學(xué)鏈工藝大規(guī)模工業(yè)化的主要原因之一。載氧體發(fā)展至今，其結(jié)構(gòu)從簡單的宏觀機械混合逐漸趨向于微觀納米調(diào)控，由此提升活性和穩(wěn)定性。核殼結(jié)構(gòu)載氧體具備優(yōu)異的熱穩(wěn)定性和機械強度，能有效避免活性組分浸出。然而，惰性組分的引入不可避免地降低了載氧體的活性，且針對多級載氧體晶格氧的遷移轉(zhuǎn)化以及金屬離子的運動過程仍缺乏系統(tǒng)的研究。如何精準調(diào)控、平衡載氧體活性和穩(wěn)定性之間的“蹺蹺板”問題，已成為亟待解決的關(guān)鍵問題。

針對這一問題，廣州能源研究所新興固廢高值循環(huán)研究中心廢棄物處理與資源化利用科研團隊黃振研究員和東北石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院李翠勤教授創(chuàng)新性設(shè)計并合成了系列具有精準外殼厚度、納米級限域的多級核殼結(jié)構(gòu)載氧體Fe₂O₃@SiO₂，深入探究惰性載體厚度與空間結(jié)構(gòu)對載氧體穩(wěn)定性與傳質(zhì)速率的雙重影響機制，旨在尋求化學(xué)鏈制氫過程中活性與穩(wěn)定性的動態(tài)平衡。研究結(jié)果表明，薄殼層 (70 nm) 展現(xiàn)出卓越的循環(huán)穩(wěn)定性，連續(xù)30次氧化還原循環(huán)性能保持穩(wěn)定；而厚殼層 (200 nm) 因反應(yīng)過程中生成大量的惰性Fe₂SiO₄導(dǎo)致快速失活。研究還利用聚焦離子束-透射電子顯微鏡（FIB-TEM）結(jié)合原位透射電子顯微鏡（in-situ TEM）直觀揭示了惰性SiO₂殼層的限域作用，有效抑制了Fe₂O₃的團聚行為。這種獨特的核殼結(jié)構(gòu)與可控殼層厚度為具有空間結(jié)構(gòu)的高效長壽命載氧體的設(shè)計合成提供新思路。

Fe₂O₃@SiO₂核殼結(jié)構(gòu)載氧體氧化還原活性和穩(wěn)定性之間的“蹺蹺板”問題

Fe₂O₃@SiO₂核殼結(jié)構(gòu)載氧體的合成和結(jié)構(gòu)表征

Fe₂O₃和Fe₂O₃@SiO₂ (FS) 的制氫性能和循環(huán)穩(wěn)定性研究

該研究得到國家自然科學(xué)基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等項目的資助。相關(guān)研究成果以Nanoconfinement-Engineered Iron-Based Redox Catalysts: Precise Shell Thickness Gradients Enhanced Durability of Chemical Looping Hydrogen Production為題發(fā)表于Journal of Energy Chemistry。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.05.005

?動態(tài)還原過程-釋放晶格氧內(nèi)部活性組分體積收縮

動態(tài)氧化過程-恢復(fù)晶格氧內(nèi)部活性組分體積膨脹