Ein neues stark sauerstoffdefizientes kubisches Pr3ZrO8-δ für die thermochemische Herstellung von Sauerstoff und Wasserstoff bei mittleren Temperaturen

Wärme in sauberen Brennstoff verwandeln

Wasserstoff wird oft als der Brennstoff der Zukunft bezeichnet, doch heute wird der Großteil daraus aus Erdgas gewonnen, was große Mengen Kohlendioxid freisetzt. Diese Studie untersucht einen anderen Weg: Wärme statt fossiler Brennstoffe oder großer Mengen elektrischer Energie zu nutzen, um Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff zu zerlegen. Die Forschenden stellen ein neues Feststoffmaterial vor, das wiederholt Sauerstoff speichern und freisetzen kann — bei vergleichsweise moderat hohen Temperaturen — und so einen Weg zu saubererem Wasserstoff mit Sonnenwärme oder industrieller Abwärme eröffnet.

Ein zweistufiger Tanz mit Wasser

Im Zentrum dieser Arbeit steht ein thermochemischer Zyklus in zwei Schritten. Im ersten Schritt wird ein Feststoffoxid in einem sauerstoffarmen Gas erhitzt, sodass es einen Teil seines Sauerstoffs abgibt. Im zweiten Schritt wird der teilweise entleerte Feststoff bei niedrigerer Temperatur Dampf ausgesetzt. Die fehlenden Sauerstoffstellen im Feststoff entziehen dem Wasser die Sauerstoffatome, sodass Wasserstoffgas zurückbleibt. Durch das wiederholte Durchlaufen dieser zwei Schritte — Sauerstofffreisetzung bei hoher Temperatur und Wasserspaltung bei niedrigerer Temperatur — wirkt derselbe Feststoff wie ein wiederverwendbarer Schwamm, der abwechselnd Sauerstoff ausatmet und dann bei der Erzeugung von Wasserstoff hilft.

Ein neues sauerstoffhungriges Feststoff

Das Team konzentriert sich auf eine Verbindung namens Pr₃ZrO_8−δ, die sie mit PZO abkürzen. Bei Raumtemperatur bildet PZO eine einfache kubische Struktur, ähnlich der des etablierten Arbeitspferds Ceroxid. Im Gegensatz zu diesem Verwandten enthält PZO jedoch von Natur aus bereits viele fehlende Sauerstoffatome, sogenannte Vakanzstellen, noch bevor es erhitzt wird. Mithilfe von Neutronen- und Röntgenbeugung zeigen die Forschenden, dass diese stark sauerstoffdefizitäre Struktur von Raumtemperatur bis 900 °C sowohl in Luft als auch in inerten Gasen intakt bleibt, und sie kartieren, in welchen Bereichen das Material stabil bleibt und wo es in weniger nützliche Phasen zerfällt.

Sauerstoff speichern und freisetzen bei schonenderen Temperaturen

Sorgfältige Messungen von Gewichtsschwankungen und elektrischem Verhalten zeigen, wie viel Sauerstoff PZO reversibel bei verschiedenen Temperaturen und Gasatmosphären abgeben und wieder aufnehmen kann. Im Vergleich zu Ceroxid kann PZO bei einer gegebenen Temperatur deutlich mehr Sauerstoff entfernen und wieder einfügen, besonders im Bereich von 600–900 °C. In Zyklustests wird das Material in Argon auf 900 °C erhitzt, um Sauerstoff freizusetzen, dann auf 400 °C abgekühlt und Dampf ausgesetzt. Über zehn Zyklen liefert PZO im Mittel etwa 332 Mikromol Sauerstoff und 70 Mikromol Wasserstoff pro Gramm Material — und übertrifft damit führende ceriumbasierte und Perowskitoxide, obwohl es Hunderte von Grad kühler arbeitet als viele aktuelle Systeme.

Ein Blick in die aktive Oberfläche

Um zu verstehen, warum die Wasserstoffausbeute noch hinter dem theoretisch durch die Zahl der Sauerstoffvakanzstellen erlaubten Maximum zurückbleibt, verwenden die Autoren quantenmechanische Simulationen, um zu untersuchen, wie ein Wassermolekül auf der stabilsten Oberfläche von PZO zerfällt. Sie verfolgen eine Abfolge von Schritten: Ein Sauerstoffatom verlässt das Kristallgitter und erzeugt eine Vakanz; Wasser bindet an diese Stelle; das Molekül spaltet sich in zwei Hydroxylfragmente; und schließlich paaren sich die Wasserstoffatome und entweichen als Wasserstoffgas, während Sauerstoff die Vakanz auffüllt. Die Rechnungen zeigen, dass der langsamste und energetisch aufwendigste Schritt das Brechen einer bestimmten O–H-Bindung an der Oberfläche ist. Dieser Engpass erklärt, warum der wasserspaltende Teil des Zyklus langsamer ist als der Sauerstofffreisetzungsschritt.

Was das für künftigen Wasserstoff bedeutet

Einfach ausgedrückt führt die Studie ein robustes neues Feststoffmaterial ein, das bei „mittleren“ hohen Temperaturen Sauerstoff sehr effizient speichern und austauschen kann. Das macht es zu einem vielversprechenden Kandidaten für Reaktoren, die von konzentriertem Sonnenlicht oder Abwärme aus Fabriken betrieben werden, statt durch das Verbrennen fossiler Brennstoffe. Zwar übertrifft das Material bereits heutige Standards in der Sauerstoffbehandlung und der Wasserstoffproduktion bei moderaten Temperaturen, sein volles Potenzial wird jedoch erst erreicht, wenn der langsame Oberflächenschritt der Wasserspaltung beschleunigt wird — vermutlich durch geeignete Katalysatoren oder Anpassungen der Zusammensetzung. Gelingt das, könnten PZO-basierte Systeme dazu beitragen, die großtechnische, kohlenstoffarme Produktion von Wasserstoff und Sauerstoff deutlich praktischer zu machen.

Zitation: Lu, J., Zhang, Y., Chen, L. et al. A new highly oxygen-deficient and cubic Pr₃ZrO_8-δ for intermediate-temperature thermochemical production of oxygen and hydrogen. Nat Commun 17, 3091 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69235-0

Schlüsselwörter: solare thermochemische Wasserstofferzeugung, Sauerstoffspeichermaterialien, redox-aktive Oxide, Energie bei mittleren Temperaturen, Wasserspaltungszyklen