近日，能源与动力学院唐大伟教授课题组在化学链制氢载氧体研究中取得进展。国际权威能源材料期刊Journal of Materials Chemistry A（IF：11.3）以“Iron–oxygen covalency in perovskites to dominate syngas yield in chemical looping partial oxidation”为题在线刊发了相关研究成果，并作为当期封面文章、highlight推荐。
化学链重整是一种具有二氧化碳内分离特性的先进制氢技术。与传统重整相比，该技术极大地降低了氢气提纯能耗，同时，将吸热步与放热步解耦，有助于引入太阳能替代化石燃料燃烧供能，从而降低过程的碳和氮氧化物排放，及系统的㶲损失。该技术的发展可为能源系统实现“碳中和、碳达峰”目标提供有力支撑。
高性能载氧体的筛选是发展化学链重整制氢技术的关键。载氧体的热力学氧分压直接决定其氢气收率。钙钛矿氧化物（ABO3）由于其组成多变、热力学氧分压可调，是目前最具开发前景的载氧体。尽管如此，钙钛矿载氧体的电子结构与热力学氧分压之间的内禀关系仍不清晰，这导致目前的载氧体筛选只能依靠大量正交实验。因此，为了开展计算辅助的载氧体研发，开发有效的电子结构描述符表征载氧体的热力学氧分压具有重要意义。
该工作研究了钙钛矿中A位元素对B-O键共价性的影响机制。结果发现，A位元素的离子半径会使钙钛矿结构中BO6八面体发生不同程度的空间扭转，这引起了能量空间中B-O键的共价性的变化，而这一变化可以通过B-O键电荷转移能的变化反映。随后，该工作探究了B-O键的共价性对热力学氧分压的影响规律。结果表明，B-O键的共价性降低使得其电荷转移能增大，这使得载氧体的氧空位形成能和氧离子扩散能垒升高，从而降低了载氧体的氧迁移活性和表明氧活性，以上变化最终导致了载氧体的热力学氧分压增大。该工作阐明了钙钛矿电子结构与热力学氧分压的内禀关系，同时提出了将电荷转移能作为评价载氧体性能的电子描述符，为基于机器学习的钙钛矿载氧体快速筛选奠定了基础。
文章的第一作者为博士后蒋博，通讯作者为李林副教授和唐大伟教授。
该工作得到了国家自然科学基金面上项目、中国博士后科学基金面上项目的资助。
文章链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2021/ta/d1ta02103f
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