中国科学院广州能源研究所研究员黄振团队和东北石油大学化学化工学院教授李翠勤团队合作，在国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助下，成功破解化学链制氢中载氧体稳定性难题。近日，相关成果发表于《能源化学》（Journal of Energy Chemistry）。

Fe₂O₃@SiO₂核壳结构载氧体氧化还原活性和稳定性之间的“跷跷板”问题。

氢能作为一种终极清洁能源，能够有效规避温室效应。近年来，化学链制氢技术因其高效灵活的能源转化与制备能力而备受关注。然而，该技术对载氧体的选择极为严苛，要求载氧体不仅需具备较高的氧容量和可调控的反应活性，还需在苛刻的工况下保持结构的完整性。

载氧体在晶格氧释放和恢复过程中易发生烧结、团聚和失活，这是制约化学链工艺大规模工业化的主要瓶颈之一。随着研究的深入，载氧体的结构已从简单的宏观机械混合逐渐发展为微观纳米调控，以期提升活性和稳定性。核壳结构载氧体因其优异的热稳定性和机械强度，能有效避免活性组分的浸出。然而，惰性组分的引入会降低载氧体的活性，且多级载氧体晶格氧的迁移转化及金属离子的运动过程仍缺乏系统的研究。如何精准调控并平衡载氧体的活性与稳定性，已成为当前亟待解决的关键问题。

Fe₂O₃@SiO₂核壳结构载氧体的合成和结构表征。

针对该问题，研究团队创新性设计并合成了系列具有精准外壳厚度、纳米级限域的多级核壳结构载氧体Fe₂O₃@SiO₂，深入探究惰性载体厚度与空间结构对载氧体稳定性与传质速率的双重影响机制，旨在寻求化学链制氢过程中活性与稳定性的动态平衡。研究结果表明，薄壳层（70纳米）展现出卓越的循环稳定性，连续30次氧化还原循环性能保持稳定；而厚壳层（200纳米）因反应过程中生成大量的惰性Fe₂SiO₄导致快速失活。

Fe₂O₃和Fe₂O₃@SiO₂ (FS) 的制氢性能和循环稳定性研究。本文由研究团队供图

该研究还利用聚焦离子束-透射电子显微镜结合原位透射电子显微镜直观揭示了惰性SiO₂壳层的限域作用，有效抑制了Fe₂O₃的团聚行为。这种独特的核壳结构与可控壳层厚度为具有空间结构的高效长寿命载氧体的设计合成提供新思路。