浙大肖刚等《Small》封面论文：锰铁复合氧化物高温热化学储热反应过程中的自组装结构演化机理

7月22日，浙江大学能源工程学院肖刚教授和共同作者向铎等撰写的《锰-铁复合氧化物高温热化学储能反应过程中的自组装结构演化机理（Self-Assembled Structure Evolution of Mn-Fe Oxides for High Temperature Thermochemical Energy Storage）》论文在《Small》期刊上作为2021年第29期的内封面文章发表。

图1：Small内封面

肖刚教授及其团队从微观结构演化的角度，揭示了锰铁复合氧化物的可逆循环反应机理，阐明了还原反应中自组装核壳结构的形成机理和氧化反应促进机制。

论文指出，锰铁氧化物具有无毒、低成本、储能温度高（850℃以上）等优点，可以满足新一代太阳能高温热发电系统对于高温热能存储的需求。针对进一步提高热化学反应循环性能的瓶颈问题及迫切需求，论文从微观结构演化的视角，开展了金属氧化物高温可逆循环反应性能强化方法研究。研究人员制备的尖晶石型的(Mn_0.8Fe_0.2)₂O₃蜂窝状多孔介质热化学储能材料，经过100次氧化还原循环后仍保持85%以上的反应活性。微观结构研究发现，该材料在还原反应过程中能够自发形成MnFe₂O₄@Mn_2.7Fe_0.3O₄的核壳结构，在氧化反应过程中可转化为(Mn_0.8Fe_0.2)₂O₃均相固溶体。还原反应中，Mn_2.7Fe_0.3O₄能自发地在MnFe₂O₄表面形成壳层并具有较低的表面能。壳层结构对于氧气分子具有较强的吸附和解离作用，有利于氧化反应。密度泛函理论（DFT）分析表明，壳层晶体结构具有更低的氧空位形成能，有利于提高氧在晶格内的扩散速率。该项研究有望为高温热化学储热材料的优化设计提供有益指导，为新一代太阳能高温热发电技术奠定重要基础，助力戈壁沙漠转变成能源绿洲。

该工作得到了国家自然科学基金、浙江省杰出青年科学基金等项目的支持。

图文导读：

图2：100次循环的还原和氧化转化率图

图3：（Mn_0.8Fe_0.2）₂O₃在不同阶段的HRTEM图像和相应的元素分布图像：a）反应前，b）还原后，c）氧化后

图4：（Mn_0.8Fe_0.2）₂O₃的还原和氧化过程的反应机理示意图

原文地址：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/smll.202170149

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