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氫能作為終極清潔能源可有效規(guī)避溫室效應(yīng)。近年來，化學鏈制氫作為高效靈活的能源轉(zhuǎn)化與制備平臺獲得關(guān)注，但該技術(shù)對載氧體選擇有嚴格要求，需同時具備較高的氧容量、可調(diào)控的反應(yīng)活性以及在苛刻工況下依然能夠保持結(jié)構(gòu)完整等特征。

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，是制約化學鏈工藝大規(guī)模工業(yè)化的主要原因。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，以提升活性和穩(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，可以避免活性組分浸出。然而，惰性組分的引入降低了載氧體活性，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。

中國科學院廣州能源研究所研究員黃振和東北石油大學教授李翠勤，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，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，以尋求化學鏈制氫過程中活性與穩(wěn)定性的動態(tài)平衡。結(jié)果表明，薄殼層展現(xiàn)出優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性，連續(xù)30次氧化還原循環(huán)性能保持穩(wěn)定；而厚殼層因反應(yīng)過程生成大量的惰性Fe₂SiO₄導致快速失活。同時，研究通過聚焦離子束-透射電子顯微鏡和原位透射電子顯微鏡發(fā)現(xiàn)，惰性SiO₂殼層的限域作用抑制了Fe₂O₃團聚行為。這一核殼結(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)計合成提供了新思路。

相關(guān)研究成果發(fā)表在《能源化學》（Journal of Energy Chemistry）上。研究工作得到國家自然科學基金、廣東省基礎(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金等的支持。

論文鏈接

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