东京科学研究所研发的钾和钙改性钛铁矿氧载体，显著提升了化学循环系统中的氢产量与氧化还原反应效率，为可扩展的碳中和能源系统奠定基础。相关研究成果发表于《应用能源》杂志。

氢气作为清洁燃料，燃烧时不释放二氧化碳，但生产无碳排放的清洁氢气极具挑战。化学链制氢是颇具前景的解决方案，它能同时捕获二氧化碳、制氢并利用循环氧载体发电，但寻找高效、可扩展且性能优异的氧载体一直是难题。

钛铁矿是天然矿物基氧载体，在化学循环制氢方面有潜力，但存在动力学缓慢、氢气产率低的问题，不适合工业规模应用。为此，由大友纯一郎教授领导的研究团队与日本东京科学研究所跨学科科学与工程系孙庄博士合作，开发出一种改性氧载体。

研究团队采用固态合成法，在钛铁矿结构中添加钾(K)和钙(Ca)进行改性。他们先处理天然钛铁矿去除杂质，再将其与特定量的碳酸钙和碳酸钾在球磨机中混合，在高温(900℃和1300℃)下煅烧，形成K改性、Ca改性和K - Ca共改性钛铁矿。这种改性引入了钛酸钙新相，结构中被铁取代。

大友教授解释，选择钙和钾离子改性钛铁矿，是因为二者都是生物质灰的主要成分，可促进与可再生燃料更好整合。掺铁的钛酸钙相是离子和电子导体，能加速氢气生产中的氧化还原反应，促进氧化物离子扩散，与传统的钛铁矿基载体相比，实现了更高的反应速率和氢产量。

化学循环系统通常涉及燃料反应器、蒸汽反应器和空气反应器三个相互连接的反应堆，持续循环金属氧化物(氧载体)驱动氧化还原反应，实现高效二氧化碳分离和可持续氢气生产。新型氧载体使系统实现多联产，可同时生产氢气、捕获二氧化碳和发电。

这项研究是材料科学和清洁能源领域的重要里程碑。新型氧载体可扩展且经济高效，优化后的K - Ca共改性钛铁矿在多联产过程中效率显著提高5.5%，二氧化碳消耗量降低57%，氢气产量提高约440%，且仅需全尺寸反应堆三分之一大小。

展望未来，该团队目标是开发低温合成方法以实现经济高效扩展。2025年7月将启动示范项目，由大阪燃气株式会社和JFE工程株式会社牵头，得到日本碳前沿组织支持，利用新开发的材料从生物质和液体废物中同时产生氢气、电能和二氧化碳。此外，科学东京绿色转型计划通过扩大实验设施支持该工作，该大学目前正进行大型流化床反应器的示范实验，以完善技术实际应用。基于进一步合作，团队希望加速多联产技术发展，实现可持续未来。

更多信息：Zhuang Sun 等，《钾和钙改性钛铁矿以提高化学循环中的反应性和氢产量》，《应用能源》(2025)