氢能作为终极清洁能源可有效规避温室效应，近年来化学链制氢 (CLHP) 作为一种高效灵活的能源转化与制备平台获得广泛关注，但该技术对载氧体的选择具有十分严格的要求，需同时具备较高的氧容量、可调控的反应活性并在苛刻工况下依然能保持结构完整。

载氧体在晶格氧释放和恢复过程中发生烧结、团聚和失活，是制约化学链工艺大规模工业化的主要原因之一。载氧体发展至今，其结构从简单的宏观机械混合逐渐趋向于微观纳米调控，由此提升活性和稳定性。核壳结构载氧体具备优异的热稳定性和机械强度，能有效避免活性组分浸出。然而，惰性组分的引入不可避免地降低了载氧体的活性，且针对多级载氧体晶格氧的迁移转化以及金属离子的运动过程仍缺乏系统的研究。如何精准调控、平衡载氧体活性和稳定性之间的“跷跷板”问题，已成为亟待解决的关键问题。

针对这一问题，广州能源研究所新兴固废高值循环研究中心废弃物处理与资源化利用科研团队黄振研究员和东北石油大学化学化工学院李翠勤教授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 nm) 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 nm) 因反应过程中生成大量的惰性Fe₂SiO₄导致快速失活。研究还利用聚焦离子束-透射电子显微镜（FIB-TEM）结合原位透射电子显微镜（in-situ TEM）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。

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

Fe₂O₃@SiO₂核壳结构载氧体的合成和结构表征

Fe₂O₃和Fe₂O₃@SiO₂ (FS) 的制氢性能和循环稳定性研究

该研究得到国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金等项目的资助。相关研究成果以Nanoconfinement-Engineered Iron-Based Redox Catalysts: Precise Shell Thickness Gradients Enhanced Durability of Chemical Looping Hydrogen Production为题发表于Journal of Energy Chemistry。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.jechem.2025.05.005

 动态还原过程-释放晶格氧内部活性组分体积收缩

动态氧化过程-恢复晶格氧内部活性组分体积膨胀