一种新的高缺氧立方相 Pr3ZrO8-δ，用于中温热化学生产氧气和氢气

把热能变成清洁燃料

氢常被称为未来燃料，但目前大部分氢仍由天然气制取，会排放大量二氧化碳。本研究探索了一条不同的路径：用热能代替化石燃料或大量电力，从水中提取氢和氧。研究者引入了一种新固体材料，能够在相对适中的高温下反复储存与释放氧，从而为利用太阳热或工业余热制备更清洁的氢气开辟途径。

与水的两步舞蹈

这项工作的核心技术是“二步”热化学循环。第一步，将固体氧化物在缺氧气氛中加热，使其放出部分氧。第二步，将部分失氧的固体在较低温度下暴露于水蒸气。固体中缺失的氧位会从水分子中提取氧，从而留下氢气。通过重复这两步——高温脱氧和低温裂水——同一固体可像可重复使用的海绵，交替呼出氧并帮助生成氢。

一种新的嗜氧固体

团队聚焦于一种称为 Pr₃ZrO_8−δ 的化合物，简称 PZO。在室温下，PZO 形成一种类似于常用材料氧化铈的简单立方结构。然而，不同于其近亲，PZO 在未加热前就本征地含有大量缺氧位或空位。借助中子和 X 射线衍射，研究者证明这类高度缺氧结构在空气和惰性气体中从室温到 900 °C 都保持完整，并绘制出该材料稳定存在与分解成不太有用相的边界。

在更温和的温度下储放与释放氧

对质量变化和电学行为的精确测量揭示了 PZO 在不同温度和气氛下可逆放出与吸收的氧量。与氧化铈相比，PZO 在给定温度下可以移除并重新插入更多氧，尤其在 600–900 °C 范围内更为显著。在循环测试中，材料在氩气中加热至 900 °C 以释放氧，然后冷却到 400 °C 并暴露于蒸汽。经过十个循环，PZO 平均每克材料释放约 332 微摩尔氧与 70 微摩尔氢——优于主要的铈基和钙钛矿氧化物，尽管其运行温度比许多现有系统低数百摄氏度。

窥探工作表面内部

为理解为什么产氢量仍达不到由氧空位数量允许的最大值，作者使用量子力学模拟考察水分子在 PZO 最稳定表面上的解离过程。他们跟踪了一系列事件：一个氧原子离开晶体形成空位；水分子吸附到该空位；分子裂解成两个羟基片段；最终氢原子配对并以氢气形式离去，同时氧填补空位。计算显示，最慢且能量代价最高的步骤是表面上特定 O–H 键的断裂。该瓶颈解释了为何裂水步骤比放氧步骤要慢。

这对未来制氢意味着什么

简单来说，本研究引入了一种坚固的新固体，能在“中等”高温下高效储存与交换氧。这使其成为由聚光太阳能或工厂余热驱动的反应器的有前景候选材料，而非依赖燃烧化石燃料。尽管该材料在氧处理和中温制氢方面已优于现行标准，其全部潜力仍依赖于加速表面裂水的缓慢步骤——这很可能通过添加合适催化剂或调整成分来实现。如果这些改进成功，基于 PZO 的系统有望使大规模低碳的氢与氧生产更为可行。

引用: 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

关键词: 太阳热化学制氢, 储氧材料, 可氧化还原活性氧化物, 中温能量, 分水循环