Een nieuw sterk zuurstof-deficiënt en kubisch Pr3ZrO8-δ voor thermochemische productie van zuurstof en waterstof bij intermediaire temperaturen

Warmte omzetten in schone brandstof

Waterstof wordt vaak de brandstof van de toekomst genoemd, maar tegenwoordig wordt het grootste deel uit aardgas gewonnen, wat grote hoeveelheden kooldioxide uitstoot. Deze studie onderzoekt een andere route: warmte gebruiken in plaats van fossiele brandstoffen of veel elektriciteit om waterstof en zuurstof uit water te halen. De onderzoekers introduceren een nieuw vast materiaal dat herhaaldelijk zuurstof kan opslaan en afgeven bij relatief matig hoge temperaturen, wat een route opent naar schonere waterstof met behulp van zonnewarmte of restwarmte uit de industrie.

Een tweestapsdans met water

De technologie die centraal staat in dit werk is een thermochemische cyclus in twee stappen. In de eerste stap wordt een vast oxide verhit in een zuurstofarme gasomgeving zodat het een deel van zijn zuurstof afgeeft. In de tweede stap wordt het deels geleegde vaste materiaal bij een lagere temperatuur aan stoom blootgesteld. De ontbrekende zuurstofplaatsen in het vaste materiaal onttrekken zuurstof uit watermoleculen, waardoor waterstofgas overblijft. Door deze twee stappen te herhalen — zuurstofafgifte bij hoge temperatuur en stoomsplitsing bij lagere temperatuur — kan hetzelfde vaste materiaal fungeren als een herbruikbare spons die afwisselend zuurstof uitademt en vervolgens helpt waterstof te maken.

Een nieuw zuurstofhongerig materiaal

Het team richt zich op een verbinding genaamd Pr₃ZrO_8−δ, die zij afkorten tot PZO. Bij kamertemperatuur vormt PZO een eenvoudige kubische structuur vergelijkbaar met die van het gevestigde werkpaard ceriumoxide. In tegenstelling tot zijn verwant bevat PZO echter van nature al veel ontbrekende zuurstofatomen, of vacaturen, zelfs voordat het wordt verhit. Met neutronen- en röntgendiffractie laten de onderzoekers zien dat deze sterk zuurstof-deficiënte structuur intact blijft van kamertemperatuur tot 900 °C in zowel lucht als inerte gas, en ze brengen in kaart waar het materiaal stabiel blijft en waar het uiteen zou vallen in minder bruikbare fasen.

Zuurstof opslaan en vrijgeven bij vriendelijkere temperaturen

Nauwkeurige metingen van gewichtsveranderingen en elektrisch gedrag onthullen hoeveel zuurstof PZO reversibel kan afstaan en weer opnemen onder verschillende temperaturen en gassamenstellingen. Vergeleken met ceriumoxide kan PZO bij een gegeven temperatuur veel meer zuurstof verwijderen en weer insluiten, vooral in het bereik van 600–900 °C. In cyclustests wordt het materiaal tot 900 °C in argon verhit om zuurstof vrij te geven, vervolgens gekoeld tot 400 °C en aan stoom blootgesteld. Over tien cycli levert PZO gemiddeld ongeveer 332 micromol zuurstof en 70 micromol waterstof per gram materiaal — beter presterend dan toonaangevende ceriumgebaseerde en perovskietoxiden, zelfs hoewel het honderden graden koeler werkt dan veel huidige systemen.

In het werkende oppervlak kijken

Om te begrijpen waarom de waterstofopbrengst nog steeds achterblijft bij het maximum dat wordt toegestaan door het aantal zuurstofvacaturen, gebruiken de auteurs kwantummechanische simulaties om te onderzoeken hoe een watermolecuul uiteenvalt op het stabielste oppervlak van PZO. Ze volgen een reeks gebeurtenissen: een zuurstofatoom verlaat het kristal en creëert een vacante plaats; water bindt zich aan die plaats; het molecuul splitst in twee hydroxyfragmenten; en uiteindelijk paren de waterstofatomen en vertrekken als waterstofgas terwijl zuurstof de vacatuur opvult. De berekeningen tonen aan dat de traagste en meest energie-intensieve stap het verbreken van een specifiek O–H-binding op het oppervlak is. Deze bottleneck verklaart waarom het water-splittingsdeel van de cyclus langzamer is dan de zuurstofafgiftestap.

Wat dit betekent voor de toekomstige productie van waterstof

In eenvoudige termen introduceert de studie een robuust nieuw vast materiaal dat zeer efficiënt zuurstof kan opslaan en uitwisselen bij “intermediair” hoge temperaturen. Dat maakt het een veelbelovende kandidaat voor reactoren die worden aangedreven door geconcentreerd zonlicht of door restwarmte van fabrieken, in plaats van door het verbranden van fossiele brandstoffen. Hoewel het materiaal al beter presteert dan de huidige standaarden in zuurstofbeheer en matig-temperatuurs waterstofproductie, zal zijn volledige potentieel alleen worden bereikt wanneer de trage oppervlakte-stap in de watersplitsing wordt versneld — waarschijnlijk door geschikte katalysatoren toe te voegen of door de samenstelling aan te passen. Als die verbeteringen slagen, zouden PZO-gebaseerde systemen kunnen bijdragen aan grootschalige, laag-koolstof waterstof- en zuurstofproductie die veel praktischer is.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: zonnethermochemische waterstof, zuurstofopslagsmaterialen, redox-actieve oxiden, energie bij intermediaire temperaturen, waterstofsplitsingscycli