随着世界向可持续能源来源转变，“绿色氢”——不排放碳的氢气，已成为清洁能源的主要候选者。科学家们现在开发了一种新的基于铁的催化剂，将热化学绿色氢生产的转化效率提高了两倍以上。
随着人们对化石燃料驱动的污染和气候变化的日益关注，氢气作为一种清洁能源载体正在受到关注，它在燃烧时只排放水。在各种氢气生产途径中，热化学水分解——使用热能将水分解为氢和氧——被认为特别有前景。金属氧化物在这一过程中发挥着核心作用，它们周期性地吸收和释放氧，实际上充当了“氧海绵”。
然而，大多数传统氧化物存在一个关键限制：由于其热力学特性，它们需要极高的温度才能有效运作。这阻碍了它们的商业可行性。为了解决这一挑战，研究团队开发了一种新型缺铁镍铁氧体（Fe-poor NiFe2O4，简称NFO）。与传统氧化物通常依赖的非化学计量反应相比，后者只允许相对较小的氧吸收和释放，缺铁铁氧体展现出一种独特的相变机制，使得其即使在较低温度下也能显著提高氧的容量。实验结果表明，这种新型氧化物每克氧化物的水转氢转化效率达到了0.528%——是之前最佳材料0.250%基准的两倍多。
这项研究特别值得注意之处不仅在于开发了高效率催化剂，还在于团队成功揭示了其基础机制。研究人员使用一系列实验技术和计算模拟，首次识别出了铁氧化物材料中驱动氢气生产的“结构活性位点”。他们进一步揭示了两种铁位点之间的氧化还原摆动与氢气产率直接相关——这一见解可能指导未来更有效催化剂的设计。
“这项研究的意义在于提出了一种利用丰富的铁氧化物进行经济和可持续氢气生产的途径，”金教授说。“它还为利用太阳能热或工业废热作为氢气生成的能源源打开了大门。”汉教授补充道：“这项工作是实验科学与计算科学如何通过跨学科合作共同揭示基本原理的有力例证。”
本研究得到了创新科学与技术项目圈基金会、韩国国家研究基金会和韩国材料科学研究所的支持。
