Новый сильно обеднённый по кислороду кубический Pr3ZrO8-δ для термохимического получения кислорода и водорода при промежуточных температурах

Превращение тепла в чистое топливо

Водород часто называют топливом будущего, но сегодня большая его часть производится из природного газа с выделением большого количества углекислого газа. В этом исследовании рассматривается иной путь: использование тепла вместо ископаемого топлива или большого количества электроэнергии для извлечения водорода и кислорода из воды. Авторы предлагают новый твёрдый материал, который может многократно аккумулировать и отдавать кислород при относительно умеренно высоких температурах, что открывает путь к более чистому водороду с использованием солнечного тепла или промышленного теплоснабжения.

Двухшаговый танец с водой

Технология в основе работы — это термохимический цикл «из двух шагов». На первом шаге твёрдый оксид нагревают в кислородно-бедном газе, и он теряет часть кислорода. На втором шаге частично обеднённый по кислороду материал подвергают действию пара при более низкой температуре. Пустые кислородные места в твердом теле вытягивают кислород из молекул воды, оставляя позади газообразный водород. Повторяя эти два шага — отдачу кислорода при высокой температуре и расщепление воды при более низкой — один и тот же материал действует как многоразовая губка, которая поочерёдно «выдыхает» кислород и затем помогает производить водород.

Новый «кислородо-, жаждущий» твёрдый материал

Команда сосредоточилась на соединении Pr₃ZrO_8−δ, которое они сокращённо обозначают как PZO. При комнатной температуре PZO образует простую кубическую структуру, схожую со знакомым оксидом церия. Однако в отличие от своего «родственника», PZO по своей природе содержит большое число пропусков кислорода (вакансий) даже до нагрева. С помощью нейтронной и рентгеновской дифракции исследователи показывают, что эта сильно обеднённая по кислороду структура сохраняется от комнатной температуры до 900 °C как в воздухе, так и в инертном газе, и строят карту областей устойчивости материала и областей, где он распадается на менее пригодные фазы.

Хранение и отдача кислорода при более благоприятных температурах

Точные измерения изменения массы и электрических свойств показывают, сколько кислорода PZO может обратимо отдать и вновь принять при разных температурах и газовых средах. По сравнению с оксидом церия, PZO способен удалить и вернуть намного больше кислорода при данной температуре, особенно в диапазоне 600–900 °C. В циклических испытаниях материал нагревают до 900 °C в аргоне для отдачи кислорода, затем охлаждают до 400 °C и облучают паром. За десять циклов PZO в среднем даёт около 332 микромолей кислорода и 70 микромолей водорода на грамм материала — превосходя передовые церийсодержащие и перовскитные оксиды, несмотря на то, что работает на сотни градусов холоднее многих существующих систем.

Заглядывая внутрь рабочей поверхности

Чтобы понять, почему выход водорода всё ещё ниже теоретического максимума, заданного числом кислородных вакансий, авторы используют квантово-механические моделирования, чтобы изучить, как молекула воды распадается на наиболее стабильной поверхности PZO. Они прослеживают последовательность событий: атом кислорода покидает кристалл, образуя вакантное место; вода прикрепляется к этому месту; молекула распадается на два гидроксильных фрагмента; и, наконец, атомы водорода соединяются и уходят в виде газового водорода, тогда как кислород заполняет вакансию. Расчёты показывают, что самым медленным и наименее энергетически выгодным шагом является разрыв конкретной связи O–H на поверхности. Это узкое место объясняет, почему стадия расщепления воды в цикле медленнее шага отдачи кислорода.

Что это значит для будущего водорода

Проще говоря, исследование представляет прочный новый материал, который может очень эффективно запасать и обменивать кислород при «промежуточно» высоких температурах. Это делает его многообещающим кандидатом для реакторов, питаемых сконцентрированным солнечным излучением или отработанным теплом заводов, а не от сжигания ископаемого топлива. Хотя материал уже превосходит современные стандарты по обращению с кислородом и производству водорода при умеренных температурах, его полный потенциал будет достигнут только тогда, когда медленный поверхностный шаг в расщеплении воды удастся ускорить — вероятно, с помощью подходящих катализаторов или доработки состава. Если эти улучшения окажутся успешными, системы на основе PZO могли бы сделать массовое производство водорода и кислорода с низким углеродным следом гораздо более практичным.

Цитирование: 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

Ключевые слова: солнечное термохимическое получение водорода, материалы для хранения кислорода, редокс-активные оксиды, энергия при промежуточных температурах, циклы расщепления воды