本公開涉及用于生成氫氣和氧氣的方法和反應(yīng)器。

背景技術(shù)：

1、以下列出了被認(rèn)為與目前公開的主題的背景技術(shù)相關(guān)的參考文獻：

2、本文對上述參考文獻的承認(rèn)不應(yīng)被推斷為意指這些參考文獻以任何方式與目前公開的主題的專利性相關(guān)。

3、背景技術(shù)

4、由于環(huán)境問題和法規(guī)，正在努力使用替代能量源，以消除運輸和石化行業(yè)中的co2排放。現(xiàn)今存在的常見替代能量源基于風(fēng)能或太陽能(兩者不一致)，因此依賴于具有低經(jīng)濟效率的儲存。另一種替代能量源使用核反應(yīng)器進行電力生產(chǎn)；然而，由于負(fù)面感知，核能也受到限制。因此，現(xiàn)有的替代能量源具有促使人們繼續(xù)尋找可用且經(jīng)濟的替代能量源的缺點。

5、現(xiàn)有的替代能量源(諸如太陽能、風(fēng)能和核能)分別具有諸如不一致性、低經(jīng)濟效率和負(fù)面公眾感知的缺點。使用氫作為燃料的燃料電池是用于清潔發(fā)電的一種選項；然而，用于生產(chǎn)氫的現(xiàn)有方法是昂貴的。此外，用于生產(chǎn)氫的現(xiàn)有方法需要電。例如，電解槽使用電通過水裂解來生產(chǎn)氫。對于綠色氫生產(chǎn)，電由可再生的綠色能源(諸如太陽功率源、風(fēng)功率源或核功率源)生產(chǎn)。當(dāng)檢查電-氫轉(zhuǎn)化時，由于在風(fēng)能和太陽能的情況下依賴于能量儲存，或者在核能的情況下的負(fù)面感知，此類技術(shù)不是高性價比的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明基于用于在時間和/或空間上獨立的步驟中生成氧氣和/或氫氣的方法和反應(yīng)器的開發(fā)。

2、本文所述的方法和反應(yīng)器不僅允許控制將生產(chǎn)(生成)的氣體(即氫氣或氧氣)的類型，而且允許控制以順序或連續(xù)方式生產(chǎn)氣體的能力。

3、如以下實施例中所示，據(jù)發(fā)現(xiàn)用包括尤其α輻射、β輻射或γ輻射的輻射輻照金屬氧化物(mo)降低了金屬氧化物的質(zhì)量。這表明，在輻照金屬氧化物時，氧原子從金屬氧化物中釋放(去除)，可能從金屬氧化物表面釋放(去除)，從而在金屬氧化物中生成空氧位點以及氧氣。

4、在下文中，其特征在于具有空氧位點的金屬氧化物表示為氧空位金屬氧化物(ovmo)。應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語ovmo涵蓋其中氧原子中的一個或多個氧原子被去除(釋放)的金屬氧化物分子。

5、令人驚訝的是，所觀察到的金屬氧化物質(zhì)量的減少和氧氣的生成發(fā)生在比克服mo的結(jié)合能所需的溫度低的溫度處，有時甚至在低2倍、3倍、5倍的溫度處。換句話講，本文所述的方法不涉及為了釋放氧原子而將金屬氧化物加熱至通常需要克服mo的結(jié)合能的溫度，并且還形成ovmo并生成氧氣。

6、如下文進一步所示，在存在氧的情況下、在周圍空氣中以及在存在水的情況下，氧原子可與ovmo重組，使得ovmo可發(fā)生再生以形成mo。因此，考慮到mo-ovmo的可逆性，建議例如在連續(xù)暴露于輻照的條件下可以連續(xù)地生成氧氣。在此類示例中，所形成的ovmo與氧原子重組以再生mo，該mo可進一步用于生成氧氣。

7、如以下實施例中進一步所示，使ovmo暴露于水蒸氣導(dǎo)致氫氣的生成。

8、這表明，在存在ovmo的情況下，由于氧原子(來自水蒸氣)與ovmo的重組(再吸收)，水分解(裂解)，從而再生mo以及生成氫氣。

9、因此，進一步建議ovmo可適于在暴露于水蒸氣之后生成氫氣。這種用于生成氫的方法可以是本地的，即在生成ovmo的位點處，也可以是遠程的，即通過將ovmo轉(zhuǎn)移或運輸?shù)皆O(shè)施。在這兩種情況下，ovmo將暴露于水蒸氣以生成氫氣。

10、附加地或另選地，該方法使得能夠順序生成氧氣和氫氣(在相關(guān)方法中)。具體地，輻照金屬氧化物導(dǎo)致氧氣生成和ovmo形成，并且在ovmo暴露于水蒸氣時，生成氫氣并再生金屬氧化物，用于進一步的循環(huán)。因此，控制暴露于輻射或水蒸氣中的一者或多者的定時提供了控制所生成的氣體的類型的工具。

11、根據(jù)一些方面，本公開提供了一種方法，該方法包括輻照金屬氧化物以獲得具有氧空位的金屬氧化物(ovmo)和氧氣，其中輻照是在比克服金屬氧化物結(jié)合能所需的溫度低的溫度處進行的。

12、根據(jù)一些其他方面，本公開提供了一種方法，該方法包括輻照金屬氧化物以獲得具有氧空位的金屬氧化物(ovmo)和氧氣，其中金屬氧化物維持在比克服金屬氧化物結(jié)合能所需的溫度低的溫度處。

13、在下文中，當(dāng)提及方法時，應(yīng)理解為還提及本文所公開的反應(yīng)器或系統(tǒng)或發(fā)生器。因此，每當(dāng)提供關(guān)于該方法的特征時，應(yīng)理解為定義關(guān)于反應(yīng)器或系統(tǒng)或發(fā)生器的相同特征加以必要的變更。

14、應(yīng)當(dāng)指出的是，提及比克服金屬氧化物結(jié)合能所需的溫度低的溫度應(yīng)理解為低于通常從金屬氧化物中釋放至少一個氧原子所需的溫度的溫度。

15、如所理解的，金屬氧化物的結(jié)合能是使金屬與至少一個氧原子之間的鍵斷裂所需的能量。應(yīng)當(dāng)指出的是，有時存在兩個結(jié)合能，一個結(jié)合能用于金屬氧化物分子內(nèi)的每個氧原子。

16、例如，對于其中用于釋放氧原子的溫度為約1500℃的金屬氧化物，在本文開發(fā)的方法中，氧原子在較低的溫度處釋放，甚至低4倍或5倍。建議較低的溫度是由于輻照導(dǎo)致的金屬氧化物的能量吸收。

17、如所理解的，金屬氧化物可以用各種輻射輻照，前提條件是輻射能夠在比克服mo結(jié)合能所需的溫度低的溫度處從金屬氧化物化合物中釋放至少一個氧原子。換句話講，根據(jù)本公開的輻射是不需要將金屬氧化物加熱至通常需要克服mo的結(jié)合能的溫度的輻射。在一些示例中，采用該方法使得金屬氧化物維持(保持)在比克服mo的結(jié)合能所需的溫度低的溫度。

18、在一些示例中，在輻照期間，金屬氧化物處于至多約1500℃、有時至多約1000℃、有時至多約500℃、有時至多約100℃、有時至多約80℃、有時至多50℃的溫度。

19、在一些示例中，在輻照期間，金屬氧化物處于約1℃與約500℃之間、有時約2℃與約400℃之間、有時約3℃與約300℃之間、有時約4℃與約200℃之間、有時約5℃與約150℃之間的溫度。

20、在一些示例中，在輻照期間，金屬氧化物處于約20℃與約500℃之間、有時約20℃與約400℃之間、有時約20℃與約300℃之間、有時約20℃與約200℃之間、有時約20℃與約150℃之間、有時約20℃與約100℃之間、有時約20℃與約80℃之間的溫度。

21、在一些示例中，在輻照期間，金屬氧化物處于約30℃與約500℃之間、有時約50℃與約500℃之間、有時約70℃與約500℃之間、有時約100℃與約500℃之間、有時約150℃與約500℃之間的溫度。

22、在一些示例中，該方法適用于生成ovmo和氧氣，其中金屬氧化物的溫度為約5℃、有時約10℃、有時約15℃、有時約17℃、有時約20℃、有時約22℃、有時約25℃、有時約28℃、有時約30℃、有時約35℃。

23、在一些示例中，該方法適用于生成ovmo和氧氣，其中金屬氧化物的溫度為約50℃、有時約60℃、有時約70℃、有時約80℃、有時約90℃、有時約100℃、有時約110℃、有時約120℃、有時約130℃、有時約140℃。

24、在一些示例中，該方法適用于生成ovmo和氧氣，其中金屬氧化物的溫度為約200℃、有時約220℃、有時約240℃、有時約260℃、有時約300℃、有時約350℃、有時約400℃、有時約450℃、有時約500℃。

25、在一些實施方案中，溫度可以比克服mo的結(jié)合能所需的溫度低約3倍、約4倍、約5倍、約6倍、約7倍、約8倍、約9倍、約10倍、約12倍、約15倍、約17倍、約20倍、約22倍、約25倍、約27倍、約30倍、約32倍、約35倍、約37倍、約40倍、約42倍、約45倍、約47倍、約50倍。

26、如所理解的，使金屬與氧原子之間的鍵斷裂的溫度可以通過用本領(lǐng)域中任何已知的方法測量使鍵斷裂所需的能量來計算。

27、如所理解的，術(shù)語“輻射”是指以電磁波或粒子形式發(fā)射或傳輸能量。如本文所用，術(shù)語“輻射”涵蓋天然輻射以及人造輻射。此外，本文使用的輻射是指熱輻射以及非熱輻射。

28、在一些實施方案中，輻射是熱輻射。

29、在一些實施方案中，輻射是非熱輻射。

30、如本文所用，術(shù)語非熱輻射是指不依賴于源的溫度的輻射。

31、在一些示例中，輻照在大氣壓下進行。在一些實施方案中，輻射每發(fā)射的粒子或光子攜帶至少10ev。

32、在一些示例中，輻射是電磁輻射。在一些示例中，電磁輻射包括高能光子。

33、在一些示例中，電磁輻射是紫外線輻射、x射線輻射和γ輻射(γ)中的至少一種或包括紫外線輻射、x射線輻射和γ輻射(γ)中的至少一種。

34、在一些示例中，電磁輻射是x射線或包括x射線。x射線是一種電磁輻射形式，其波長通常在0.01納米至10納米的范圍內(nèi)。

35、在一些示例中，輻射是粒子輻射或包括粒子輻射。在一些示例中，粒子輻射是α輻射(α)或β輻射(β)。

36、在一些實施方案中，輻射源是放射性材料。

37、存在可用于本公開的各種放射性材料，包括天然放射性材料和人造放射性材料。在一些示例中，放射性材料是co-60、sr-90、cs-137、cs135和mo-99中的至少一種或多種。

38、如所理解的，放射性材料發(fā)射α輻射、β輻射或γ輻射或它們的組合。從放射性材料釋放的輻射可以包括α輻射、β輻射或γ輻射中的一種或多種。α輻射、β輻射或γ輻射各自在質(zhì)量、電荷、能量以及因此通過介質(zhì)的穿透深度和當(dāng)前商業(yè)應(yīng)用方面不同。

39、在一些示例中，輻射選自由以下項組成的組：α輻射、β輻射或γ輻射。

40、在一些示例中，輻射是α輻射(粒子)。α粒子由兩個質(zhì)子和兩個中子(例如，氦原子核)組成，并且是攜帶正電荷的最重類型的輻射顆粒。地球上天然存在的放射性材料中的許多天然存在的放射性材料，如鈾和釷，由于自發(fā)核裂變反應(yīng)而發(fā)射α粒子。α輻射不能穿透皮膚并且通過空氣行進非常短的距離。需注意，這不是核鏈反應(yīng)器，而是自然衰變。

41、在一些示例中，輻射是β輻射(粒子)。β粒子是不附接到原子的電子或正電子。β粒子具有小的質(zhì)量并且具有負(fù)電荷或正電荷。β輻射可以在空氣中行進數(shù)米，并且可以穿透人皮膚到達表皮的最內(nèi)層，在該處產(chǎn)生新的皮膚細(xì)胞。如果β-發(fā)射污染物長時間保留在皮膚上，它們可能會引起皮膚損傷。衣服和消防外衣(turnout?gear)提供了一些對抗大多數(shù)β輻射的防護。應(yīng)當(dāng)穿戴個人防護設(shè)備以保護衣服和原本裸露的皮膚免受所有類型的污染。

42、在一些示例中，輻射是γ輻射。γ輻射是電磁輻射；已知的示例是x射線。γ射線對來自放射性核的放射性衰變是特異性的。這些射線類似于太陽光，但是每個光子具有多得多的能量-約一百萬倍多。量子力學(xué)將電磁波看作被稱為光子的離散粒子流，其不攜帶電荷并且具有非常低的質(zhì)量。γ輻射是最具穿透性的，具有穿過空氣行進數(shù)米并進入人體組織數(shù)厘米的能力。

43、在一些示例中，輻射是uv輻射。uv輻射或紫外線輻射的波長范圍為約10納米至400納米，并且基于它們的波長和能量分為三類：uv-a、uv-b和uv-c。如本文所述，可使用uv源施加uv輻射。在一些示例中，uv源是uv燈。

44、如本文所述，輻照至少一種金屬氧化物導(dǎo)致由于氧原子的釋放而具有空氧位點的金屬氧化物(表示為ovmo)。因此，如本文所述，根據(jù)本公開的輻射粒子/光子能量應(yīng)當(dāng)高于金屬氧化物結(jié)合能。

45、當(dāng)提及金屬氧化物結(jié)合能時，其包括氧-氧和/或金屬-氧。通常，與金屬結(jié)合的第一氧原子具有比第二氧原子低的結(jié)合能。

46、如本文所用，金屬氧化物是指含有金屬陽離子和氧化物陰離子的結(jié)晶固體。應(yīng)當(dāng)指出的是，術(shù)語“金屬氧化物”通常是指具有一個或多個氧陰離子的金屬陽離子。

47、在本公開的上下文中，金屬氧化物可包含單一金屬原子或相同或不同的金屬原子的組合。

48、本公開不限于特定的金屬氧化物，并且可應(yīng)用于如本文所述的多種金屬氧化物。

49、根據(jù)本公開，金屬氧化物的特征在于允許在金屬氧化物中形成氧空位的還原性。

50、在一些示例中，金屬氧化物是可還原氧化物。

51、如本文所用，可還原氧化物是指其特征在于交換氧的能力的固態(tài)材料。

52、如本文所述，令人驚訝地發(fā)現(xiàn)金屬氧化物是可還原的，即能夠形成氧空位，而無需將金屬氧化物加熱至克服結(jié)合能所需的溫度。如本領(lǐng)域中公知的，在金屬氧化物中形成氧空位需要涉及溫度高于克服金屬氧化物結(jié)合能所需的溫度的條件。

53、因此，本公開的金屬氧化物傾向于失去氧或?qū)⒀豕┙o到物質(zhì)并隨之改變表面組成，從而生成具有氧空位的金屬氧化物，例如，該改變可以是從mom到mom-x。

54、每種金屬氧化物中的金屬可以選自金屬元素，包括元素周期表中的堿金屬、堿土金屬、過渡金屬、鑭系元素、錒系元素。

55、在一些示例中，金屬氧化物中的金屬是過渡金屬、鑭系元素、錒系元素或它們的任何組合。

56、在一些實施方案中，金屬氧化物中的金屬是至少一種堿金屬。堿金屬是位于元素周期表的第一列或第1族中的金屬。在一些實施方案中，堿金屬是鋰(li)、鈉(na)、鉀(k)、銣(rb)、銫(cs)和鈁(fr)中的至少一種。

57、在一些實施方案中，金屬氧化物中的金屬是至少一種堿土金屬。堿土金屬是位于元素周期表的第2族中的金屬。在一些實施方案中，堿土金屬是鈹(be)、鎂(mg)、鈣(ca)、鍶(sr)、鋇(ba)和鐳(ra)中的至少一種。在一些實施方案中，金屬氧化物中的金屬是過渡金屬。

58、如本文所用，過渡金屬涵蓋d區(qū)元素(周期表上的第3族至第12族)以及f區(qū)元素(包括鑭系元素和錒系元素)中的任何元素。因此，形成本公開的金屬氧化物的一部分的過渡金屬還涵蓋內(nèi)部過渡金屬。

59、如本文所指出的，金屬可以是形成金屬氧化物的單一金屬或形成金屬氧化物的組合的不同金屬原子的組合。因此，當(dāng)提及金屬時，應(yīng)理解為還指金屬的組合以及因此金屬氧化物(相同或不同)的組合。

60、在一些示例中，金屬或金屬的組合是來自元素周期表的d區(qū)元素的金屬。

61、在一些示例中，金屬或金屬的組合是來自元素周期表的f區(qū)元素的金屬。

62、在一些示例中，金屬或金屬的組合是來自元素周期表的d區(qū)元素和/或元素周期表的f區(qū)元素的金屬。

63、在一些示例中，金屬是鑭系元素。

64、在一些示例中，金屬是錒系元素。

65、在一些示例中，金屬氧化物中的金屬是選自由以下項組成的組的至少一種金屬：鈧(sc)、鈦(ti)、釩(v)、鉻(cr)、錳(mn)、鐵(fe)、鈷(co)、鎳(ni)、銅(cu)和鋅(zn)。第5周期過渡金屬是釔(y)、鋯(zr)、鈮(nb)、鉬(mo)、锝(tc)、釕(ru)、銠(rh)、鈀(pd)、銀(ag)、鎘(cd)、鑭(la)、鉿(hf)、鉭(ta)、鎢(w)、錸(re)、鋨(os)、銥(ir)、鉑(pt)、金(au)和汞(hg)、錒(ac)、钅盧(rf)、钅杜(db)、钅喜(sg)、钅波(bh)、钅黑(hs)、钅麥(mt)、鐽(ds)、錀(rg)、鎶(uub)、鈰(ce)、鐠(pr)、釹(nd)、钷(pm)、釤(sm)、銪(eu)、釓(gd)、鋱(tb)、鏑(dy)、鈥(ho)、鉺(er)、銩(tm)、鐿(yb)、镥(lu)、釷(th)、鏷(pa)、鈾(u)、镎(np)、钚(pu)、镅(am)、鋦(cm)、锫(bk)、锎(cf)、锿(es)、鐨(fm)、鍆(md)、锘(no)和鐒(lr)。

66、在一些示例中，金屬氧化物中的金屬是選自由以下項組成的組的至少一種金屬：鈧(sc)、鈦(ti)、釩(v)、鉻(cr)、錳(mn)、鐵(fe)、鈷(co)、鎳(ni)、銅(cu)和鋅(zn)。第5周期過渡金屬是釔(y)、鋯(zr)、鈮(nb)、鉬(mo)、锝(tc)、釕(ru)、銠(rh)、鈀(pd)、銀(ag)和鎘(cd)。

67、例如，金屬氧化物中的金屬是選自由以下項組成的組的至少一種金屬：鑭(la)、鉿(hf)、鉭(ta)、鎢(w)、錸(re)、鋨(os)、銥(ir)、鉑(pt)、金(au)和汞(hg)、錒(ac)、(rf)、钅杜(db)、钅喜(sg)、钅波(bh)、钅黑(hs)、钅麥(mt)、鐽(ds)、錀(rg)和鎶(uub)。

68、在一些示例中，作為鑭系元素的金屬氧化物中的金屬是選自由以下項組成的組的至少一種金屬：銫(ce)、鐠(pr)、釹(nd)、钷(pm)、釤(sm)、銪(eu)、釓(gd)、鋱(tb)、鏑(dy)、鈥(ho)、餌(er)、銩(tm)、鐿(yb)和镥(lu)。

69、在一些示例中，金屬氧化物中的金屬是錒系元素。在一些示例中，金屬氧化物中的金屬是選自由以下項組成的組的至少一種金屬：釷(th)、鏷(pa)、鈾(u)、镎(np)、钚(pu)、镅(am)、鋦(cm)、锫(bk)、锎(cf)、锿(es)、鐨(fm)、鍆(md)、锘(no)和鐒(lr)中的至少一種。

70、在一些實施方案中，金屬是zr、ce、fe、ni或ti。

71、在一些實施方案中，金屬是ce。

72、在一些實施方案中，金屬氧化物是zro2(氧化鋯)、ceo2(二氧化鈰)、feo(氧化亞鐵)、nio(氧化鎳(ii))、tio(氧化鈦(ii))或它們的任何組合中的一種或多種。

73、在一些實施方案中，金屬氧化物是ceo2。

74、根據(jù)本公開的金屬氧化物可以是固態(tài)形式。術(shù)語固態(tài)是指物理狀態(tài)，其中原子或分子在固定位置密集堆積在一起，從而形成具有確定形狀和體積的固體物質(zhì)。

75、在一些示例中，金屬氧化物為粉末形式。固態(tài)粉末轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)顆粒或粉末形式的材料，顆粒的尺寸通常小于1毫米，并且可以由結(jié)晶或無定形材料構(gòu)成。

76、在一些其他示例中，金屬氧化物為漿料形式。

77、在一些其他示例中，金屬氧化物可以涂層的形式使用。在一些示例中，金屬氧化物可用于涂覆陽極。

78、在一些示例中，金屬氧化物為膜形式。

79、如本文所述，金屬氧化物被配置為在暴露于輻射時(即，當(dāng)被輻照時)釋放至少一個氧原子。換句話講，金屬氧化物發(fā)生從mox到mox-y的變化，使得y是1與x之間的整數(shù)。釋放氧原子之后形成的金屬氧化物的特征在于具有氧空位。如本文所用，氧空位是指從金屬氧化物(例如，從晶體形式)中缺失的氧原子。

80、也如本文所述，具有氧空位的金屬氧化物在本文中表示為ovmo。

81、包括使金屬氧化物暴露于輻射的方法可由以下公式(i)表示：

82、

83、其中mo表示金屬氧化物，x表示mo中每個金屬原子上的氧原子的數(shù)量；ep表示每個粒子/光子的輻射能量；y表示從mo(例如，表面；范圍在1到x之間)釋放的氧原子的量，以形成y/2個氧分子(o2)。mox-y表示具有氧空位的金屬氧化物(ovmo)，如本文所述，其特征在于例如在暴露于水蒸氣或空氣之后重組氧原子的能力。

84、在一些示例中，ovmo的特征在于氧空位。

85、如本文所用，ovmo是指金屬氧化物的功能形式。

86、在一些示例中，ovmo是表面暴露的。

87、應(yīng)當(dāng)指出的是，在一些示例中，ovmo穩(wěn)定至多48小時，有時至多24小時。當(dāng)提及穩(wěn)定性時，應(yīng)當(dāng)指出的是，在完全暴露于氧源(例如，空氣或水蒸氣環(huán)境)的情況下，ovmo維持至少50％的氧空位至多48小時。在具有氧空位的真空密封的金屬氧化物的情況下，其穩(wěn)定性可持續(xù)更長時間。

88、ovmo的穩(wěn)定性可以通過本領(lǐng)域已知的任何方法來確定。其中，掃描隧道顯微鏡法(stm)、質(zhì)譜(ms)、熱重量分析(tga)或x射線光電子光譜學(xué)(xps)可用于表征這些空位。

89、在一些實施方案中，該方法包括收集氧氣。

90、在一些實施方案中，該方法包括收集ovmo。

91、根據(jù)一些示例，該方法包括使ceo2暴露于放射性輻射。根據(jù)一些示例，該方法包括使ceo2暴露于放射性輻射并生成氧氣。根據(jù)一些示例，該方法包括使ceo2暴露于放射性輻射并生成氧氣和ceo。根據(jù)一些示例，該方法包括使ceo2暴露于放射性輻射并生成氧氣和ce。

92、如本文所述，該方法包括生成氫氣。

93、如本文所述，ovmo的特征在于是穩(wěn)定的，因此可將其轉(zhuǎn)移或運輸至需要生成氫氣的偏遠位置。此類氫氣可用于燃料電池中。如所理解的，使用氫氣作為燃料的燃料電池是用于清潔發(fā)電的一種選項。它們還可影響材料的催化活性和反應(yīng)性，這可用于諸如燃料電池、催化劑和氣體傳感器的應(yīng)用中。

94、附加地或另選地，該方法可以包括附加步驟，在該附加步驟中ovmo形成氫氣。

95、在一些實施方案中，該方法包括使ovmo(包括氧空位)暴露于水蒸氣。

96、如所理解的，可以在各種壓力(例如，大氣壓)下使用水蒸氣。

97、包括使ovmo暴露于水(水蒸氣)的方法可由以下公式(ii)表示：

98、mox-y+yh2o→mox+yh2(ii)

99、其中mox-y表示具有氧空位的金屬氧化物(ovmo)，該具有氧空位的金屬氧化物(ovmo)在存在水蒸氣的情況下釋放氫(h2)氣并且再生回到其原始形式(通過與氧原子重組)。

100、在一些實施方案中，該方法包括收集在ovmo暴露于水蒸氣時產(chǎn)生的氫氣。

101、如本文所述，本公開的方法生成氧氣和氫氣兩者。因此，根據(jù)一些其他方面，本公開提供了一種方法，該方法包括：(i)輻照金屬氧化物以獲得ovmo和氧氣；以及(ii)使ovmo暴露于水蒸氣以生成氫氣并允許ovmo與氧重組。

102、應(yīng)當(dāng)指出的是，ovmo與氧原子的重組基本上再生了金屬氧化物分子。

103、根據(jù)一些示例，該方法包括使ceo2+暴露于水蒸氣。根據(jù)一些示例，該方法包括使ce4+暴露于水蒸氣。

104、包括使金屬氧化物暴露于輻射(即，輻照金屬氧化物)以及使ovmo暴露于水(水蒸氣)的方法可以由以下公式(iii)表示：

105、

106、mox-y+yh2o→mox+yh2?(iii)

107、其中mo表示金屬氧化物，x表示mo分子中每個金屬原子上的氧原子的數(shù)量；ep表示每個粒子/光子的輻射能量；y表示從mo(例如，表面；范圍在1到x之間)釋放的氧原子的量，以形成y/2個氧分子(o2)。mox-y表示在存在水蒸氣的情況下釋放氫(h2)氣體并經(jīng)歷再生(通過與氧原子重組)的ovmo。

108、在一些實施方案中，該方法可適于或用于生成氧氣和氫氣。

109、在一些實施方案中，該方法可適于或用于生成氧氣。

110、在一些實施方案中，該方法可適于或用于生成氫氣。

111、如本文所公開的，氫氣可在生成氧氣后生成，其中金屬氧化物具有能夠裂解處于蒸汽形式的水的氧空位(ovmo)。

112、根據(jù)一些實施方案，該方法包括在第一時間點處使金屬氧化物暴露于輻射，以及在不同的時間點處使ovmo暴露于水蒸氣。

113、根據(jù)一些示例，該不同的時間點晚于該第一時間點。在其中不同的時間點晚于第一時間點的一些示例中，該方法包括生成氧氣，隨后生成氫氣。

114、在一些示例中，該方法包括順序生成氧氣和氫氣。在此類示例中，該方法包括重復(fù)生成氧氣隨后生成氫氣的步驟。換句話講，該方法包括以順序次序重復(fù)步驟(i)和(ii)，以允許連續(xù)生成氧氣和氫氣。

115、在一些實施方案中，該方法包括在使ovmo暴露于水蒸氣之前排放氧氣。

116、在一些實施方案中，該方法包括在使金屬氧化物暴露于輻射之前排放氫氣。

117、如所理解的，氧氣或氫氣中的每一種可以被排放以被收集用于進一步的目的。

118、在其中該方法包括連續(xù)生成氧氣和氫氣的一些實施方案中，該方法包括連續(xù)移動金屬氧化物和ovmo。如本文所述，金屬氧化物是氧氣生成所必需的，而ovmo是氫氣生成所必需的。

119、因此，根據(jù)一些方面，本公開提供一種用于連續(xù)順序生成氧氣和氫氣的方法，該方法包括：

120、-輻照金屬氧化物，以獲得包括氧空位的金屬氧化物(ovmo)和氧氣；

121、-排放該氧氣的至少一部分；

122、-使該ovmo暴露于水蒸氣以再生該金屬氧化物以及生成氫氣；

123、-排放該氫氣的至少一部分。

124、當(dāng)用于連續(xù)順序生成氧氣和氫氣時，上述步驟在本文中表示為“順序操作循環(huán)”。

125、如所理解的，該方法包括可以根據(jù)需要重復(fù)若干次的順序操作循環(huán)。

126、在一些實施方案中，該方法包括至少兩個順序操作循環(huán)，每個順序操作循環(huán)包括生成氫氣和氧氣。

127、在一些實施方案中，在該方法中，該不同的時間點與該時間點相同。在其中不同的時間點與第一時間點相同的一些示例中，該方法包括在生成氫氣的同時生成氧氣。

128、在一些示例中，該方法包括生成氧氣和氫氣。在此類示例中，該方法包括重復(fù)生成氧氣和生成氫氣的步驟。換句話講，該方法包括重復(fù)步驟(i)以允許生成氧氣并且重復(fù)步驟(ii)以允許生成氫氣。

129、在一些實施方案中，該方法包括排放氧氣。

130、在一些實施方案中，該方法包括排放氫氣。

131、如所理解的，氧氣或氫氣中的每一種可以被排放以被收集用于進一步的目的。

132、因此，根據(jù)一些方面，本公開提供一種用于連續(xù)生成氧氣和氫氣的方法，該方法包括：

133、-使金屬氧化物顆粒暴露于輻射，以獲得ovmo(包括氧空位)和氧氣；

134、-使ovmo?y暴露于水蒸氣以再生金屬氧化物顆粒以及生成氫氣。

135、當(dāng)用于連續(xù)生成氧氣和氫氣時，上述步驟在本文中表示為“連續(xù)操作循環(huán)”。

136、如所理解的，該方法包括可以根據(jù)需要重復(fù)若干次的連續(xù)操作循環(huán)。

137、在一些方面，本公開提供了一種用于氧氣生成的方法，該方法包括使金屬氧化物暴露于放射性輻射。

138、在一些方面，本公開提供了一種用于氧氣生成的方法，該方法包括使ceo2暴露于放射性輻射。

139、在一些方面，本公開提供了一種用于氧氣生成的方法，該方法包括使金屬氧化物暴露于放射性輻射，其中金屬氧化物的溫度為至多1000℃。

140、在一些方面，本公開提供了一種用于氧氣生成的方法，該方法包括使ceo2暴露于放射性輻射，其中ceo2處于至多1000℃的溫度。

141、在一些方面，本公開提供了一種用于氫氣生成的方法，該方法包括使ovceo2暴露于水蒸氣。

142、在一些方面，本公開提供了一種用于氣體生成的方法，該方法包括使金屬氧化物暴露于放射性輻射以形成ovmo并使ovmo暴露于水蒸氣。

143、在一些方面，本公開提供了一種用于氣體生成的方法，該方法包括使ceo2暴露于放射性輻射以形成ovceo2并使ovceo2暴露于水蒸氣。

144、在其中該方法適用于ceo2的一些示例中，包括使ceo2暴露于輻射(即，輻照ceo2)以及使ceo2-y暴露于水(水蒸氣)的方法可由以下公式(iv)表示：

145、

146、ceo2-y+yh2o→ceo2+yh2??(iv).

147、根據(jù)一些方面，本公開還提供一種反應(yīng)器。如本文所用，反應(yīng)器可被認(rèn)為是氧發(fā)生器和/或氫發(fā)生器。

148、該反應(yīng)器包括有包括氣體出口的反應(yīng)室和輻射源，該反應(yīng)室被構(gòu)造用于容納金屬氧化物，使得在被輻射源輻照時，金屬氧化物暴露于輻射；并且在暴露于輻射時，氣體由金屬氧化物顆粒生成并通過氣體出口從室中釋放，其中輻照不涉及將金屬氧化物加熱至高于克服mo的結(jié)合能所需的溫度的溫度。

149、在一些實施方案中，氣體出口被構(gòu)造用于從室中排放氧氣。

150、在一些實施方案中，輻射源被配置為用放射性輻射輻照金屬氧化物。

151、反應(yīng)器可以包括附加的部件。

152、在一些實施方案中，室包括從該室收集ovmo的裝置。

153、在一些實施方案中，室包括水蒸氣貯存器。

154、在一些實施方案中，氣體出口被構(gòu)造成從反應(yīng)器排放氫氣。

155、在一些方面，提供了一種用于生成氧氣和氫氣的反應(yīng)器，該反應(yīng)器包括至少一個室、至少一個輻照源和水貯存器，其中該至少一個室被構(gòu)造用于容納至少一種金屬氧化物和/或ovmo，使得在被輻射源輻照時，金屬氧化物暴露于輻射；并且在mo暴露于輻射時，由金屬氧化物生成氧氣和ovmo，并且其中在ovmo暴露于水蒸氣時，生成氫氣并形成mo。

156、根據(jù)一些示例，反應(yīng)器包括至少一個氣體出口，有時包括氧氣出口和氫氣出口。

157、在一些示例中，至少一個室內(nèi)的金屬氧化物處于比克服mo的結(jié)合能所需的溫度低的溫度。

158、在一些示例中，反應(yīng)器包括傳送帶。

159、在一些實施方案中，用于生成ovmo和氧氣的反應(yīng)器如圖13a所示。在一些實施方案中，用于生成ovmo和氧氣的反應(yīng)器如圖13b所示。

160、在一些實施方案中，用于生成ovmo和氧氣的反應(yīng)器如圖15所示。在一些實施方案中，用于生成ovmo和氧氣的反應(yīng)器如圖16所示。

161、在一些實施方案中，用于生成氫氣的反應(yīng)器如圖17a所示。在一些實施方案中，用于生成氫氣的反應(yīng)器如圖17b所示。

162、如本文所用，術(shù)語“約”表示可以比所提及的值最多向上或向下偏離1％、更具體地5％、更具體地10％、更具體地15％，并且在一些情況下最多向上或向下偏離20％的值，該偏離范圍包括構(gòu)成連續(xù)范圍的整數(shù)值，如果適用的話，還包括非整數(shù)值。在一些實施方案中，術(shù)語“約”是指±10％。

163、應(yīng)當(dāng)注意的是，本發(fā)明的各種實施方案可以以范圍格式呈現(xiàn)。對范圍的描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為已經(jīng)具體公開了所有可能的子范圍，以及該范圍內(nèi)的各個數(shù)值。例如，對諸如從1至6或在1與6之間的范圍的描述應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為已經(jīng)具體公開了諸如從1至3、從1至4、從1至5、從2至4、從2至6、從3至6等子范圍，以及在該范圍內(nèi)的各個數(shù)字，例如1、2、3、4、5和6。

164、如本文所用，除非上下文另外明確指出，否則形式“一個/一種(a/an)”和“該/所述(the)”包括單數(shù)以及復(fù)數(shù)引用。

165、應(yīng)當(dāng)理解，為清晰起見在各獨立實施方案的上下文中描述的本發(fā)明的某些特征，也可以組合形式提供在單個實施方案中。相反，為簡明起見在單個實施方案的上下文中描述的本發(fā)明的各種特征也可以單獨提供或以任何合適的子組合提供，或者在適當(dāng)時，在本發(fā)明的任何其他所述實施方案中提供。在各種實施方案的上下文中描述的某些特征不被認(rèn)為是那些實施方案的基本特征，除非該實施方案在沒有那些要素的情況下就無法實施。

166、應(yīng)當(dāng)注意的是，本文中結(jié)合本發(fā)明的各種方面詳述的各種實施方案和示例可適用于本文中所公開的一個或多個方面。還應(yīng)當(dāng)注意的是，本文所述的任何實施方案(例如，涉及方法)可單獨應(yīng)用或以各種組合應(yīng)用。如上文所描述以及如下面的權(quán)利要求書部分中所要求保護的本發(fā)明的各種實施方案和方面在以下實施例中得到實驗支持。如本文所用的短語“在另一實施方案中”或?qū)嵤┓桨傅娜魏翁峒安灰欢ㄊ侵覆煌膶嵤┓桨?，盡管它可能是指不同的實施方案。因此，在不脫離本發(fā)明的范圍的情況下，可(從相同方面或從不同方面)組合本發(fā)明的各種實施方案。

167、如上文所描述以及如下面的權(quán)利要求書部分中所要求保護的本發(fā)明的各種實施方案和方面在以下實施例中得到實驗支持。

168、所公開和描述的，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不限于本文所公開的具體實施例、方法步驟和反應(yīng)器，因為此類方法步驟和反應(yīng)器都可以稍微改變。還應(yīng)當(dāng)理解，本文所用的術(shù)語僅用于描述特定實施方案的目的，而不旨在進行限制，因為本發(fā)明的范圍將僅受到所附權(quán)利要求書及其等同物的限制。

169、以下實施例代表了由本發(fā)明人在進行本發(fā)明的多個方面時所采用的技術(shù)。應(yīng)當(dāng)理解，盡管這些技術(shù)是用于實踐本發(fā)明的優(yōu)選實施方案的示例，但是根據(jù)本公開，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，在不脫離本發(fā)明的實質(zhì)和預(yù)期范圍的情況下，可以進行許多修改。

170、實施方案

171、現(xiàn)在將在以下編號段落中描述本公開的一些實施方案。以下描述旨在添加以上一般描述并且不以任何方式限制它。

172、1.一種方法，所述方法包括使金屬氧化物暴露于輻射，以生成氧空位金屬氧化物(ovmo)和氧氣。

173、2.根據(jù)實施方案1所述的方法，所述方法包括使所述金屬氧化物暴露于輻照，其中所述金屬氧化物處于比克服金屬氧化物結(jié)合能所需的溫度低的溫度。

174、3.根據(jù)實施方案2所述的方法，其中所述溫度為至多約1500℃。

175、4.根據(jù)實施方案3所述的方法，其中所述溫度為至多約500℃。

176、5.根據(jù)實施方案4所述的方法，其中所述溫度為至多約80℃。

177、6.根據(jù)實施方案2所述的方法，其中所述溫度在約20℃與約500℃之間。

178、7.根據(jù)實施方案1所述的方法，其中所述輻射是非熱輻射。

179、8.根據(jù)實施方案1所述的方法，其中所述輻射選自由以下項組成的組：電子束輻射、α輻射、β輻射、γ輻射和uv輻射。

180、9.根據(jù)實施方案1至8中任一項所述的方法，其中所述金屬氧化物中的金屬是以下項中的至少一種：(i)至少一種堿金屬、(ii)至少一種堿土金屬、(iii)至少一種過渡金屬、(iv)至少一種鑭系元素金屬、(v)至少一種錒系元素金屬或(vi)它們的組合。

181、10.根據(jù)實施方案1至9中任一項所述的方法，其中所述金屬氧化物中的所述金屬是以下項中的至少一種：(i)至少一種過渡金屬、(ii)至少一種鑭系元素金屬、(iii)至少一種錒系元素金屬或(iv)它們的組合。

182、11.根據(jù)實施方案1至10中任一項所述的方法，其中所述金屬氧化物中的所述金屬是以下項中的至少一種：鋯(zr)、鈰(ce)、鐵(fe)、鈦(ti)、鎳(ni)或它們的任何組合。

183、12.根據(jù)實施方案1至11中任一項所述的方法，其中所述金屬氧化物選自由以下項組成的組：zro2、ceo2、feo、tio和nio。

184、13.根據(jù)實施方案12所述的方法，其中所述金屬氧化物是ceo2。

185、14.根據(jù)實施方案1至13中任一項所述的方法，其中所述金屬氧化物為固態(tài)。

186、15.根據(jù)實施方案1至14中任一項所述的方法，其中所述金屬氧化物為粉末形式或者涂覆表面。

187、16.根據(jù)實施方案1至15中任一項所述的方法，所述方法包括收集所述氧氣。

188、17.根據(jù)實施方案1至16中任一項所述的方法，所述方法包括收集包括氧空位的所述ovmo。

189、18.根據(jù)實施方案1至17中任一項所述的方法，所述方法包括使所述ovmo暴露于水蒸氣。

190、19.根據(jù)實施方案18所述的方法，所述方法包括收集在所述ovmo暴露于所述水蒸氣時產(chǎn)生的氫氣。

191、20.一種方法，所述方法包括：

192、(i)使金屬氧化物暴露于輻射，以獲得ovmo和氧氣；以及

193、(ii)使所述ovmo暴露于水蒸氣以再生金屬氧化物顆粒以及生成氫氣。

194、21.根據(jù)實施方案20所述的方法，所述方法包括使所述金屬氧化物暴露于輻照，其中所述金屬氧化物處于比克服金屬氧化物結(jié)合能所需的溫度低的溫度。

195、22.根據(jù)實施方案21所述的方法，其中所述溫度為至多約1500℃。

196、23.根據(jù)實施方案22所述的方法，其中所述溫度為至多約500℃。

197、24.根據(jù)實施方案23所述的方法，其中所述溫度為至多約80℃。

198、25.根據(jù)實施方案21所述的方法，其中所述溫度在約20℃與約500℃之間。

199、26.根據(jù)實施方案20所述的方法，所述方法包括重復(fù)步驟(i)和(ii)以允許生成氧氣和氫氣。

200、27.根據(jù)實施方案20所述的方法，所述方法包括重復(fù)步驟(i)和(ii)以允許順序生成氧氣和氫氣。

201、28.根據(jù)實施方案20所述的方法，所述方法包括重復(fù)步驟(i)和(ii)以允許連續(xù)生成氧氣和氫氣。

202、29.根據(jù)實施方案20至28中任一項所述的方法，所述方法包括收集所述氧氣。

203、30.根據(jù)實施方案29所述的方法，所述方法包括在步驟(ii)之前收集所述氧氣。

204、31.根據(jù)實施方案20至30中任一項所述的方法，所述方法包括收集所述ovmo。

205、32.根據(jù)實施方案31所述的方法，所述方法包括在步驟(ii)之前收集所述ovmo。

206、33.根據(jù)實施方案20至32中任一項所述的方法，所述方法包括收集所述氫氣。

207、34.根據(jù)實施方案33所述的方法，所述方法包括在步驟(ii)之后收集所述氫氣。

208、35.一種方法，所述方法包括使ceo2暴露于輻射，以生成氧空位ceo2(ovmo)和氧氣。

209、36.一種方法，所述方法包括：

210、(i)使ceo2暴露于輻射，以獲得氧空位ceo2和氧氣；以及

211、(ii)使所述氧空位ceo2暴露于水蒸氣以再生所述ceo2以及生成氫氣。

212、37.根據(jù)實施方案35或36所述的方法，所述方法包括使ceo2暴露于輻照，其中所述ceo2處于低于1500℃的溫度。

213、38.根據(jù)實施方案37所述的方法，其中所述ceo2處于低于300℃的溫度。

214、39.根據(jù)實施方案37或38所述的方法，其中所述ceo2處于約20℃與約100℃之間的溫度。

215、40.根據(jù)實施方案35至39中任一項所述的方法，其中所述輻射選自由以下項組成的組：電子束輻射、α輻射、β輻射、γ輻射和uv輻射。

216、41.根據(jù)實施方案40所述的方法，其中所述輻射是放射性輻射。

217、42.根據(jù)實施方案35至41中任一項所述的方法，所述方法包括收集所述氧氣。

218、43.根據(jù)實施方案35至42中任一項所述的方法，所述方法包括收集包括氧空位的所述氧空位ceo2。

219、44.根據(jù)實施方案35所述的方法，所述方法包括使所述氧空位ceo2暴露于水蒸氣。

220、45.根據(jù)實施方案44所述的方法，所述方法包括收集在所述氧空位ceo2暴露于所述水蒸氣時產(chǎn)生的氫氣。

221、46.一種反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括反應(yīng)室、輻射源，所述反應(yīng)室被構(gòu)造用于容納金屬氧化物，使得在被所述輻射源輻射時，所述金屬氧化物顆粒暴露于所述輻射；并且在所述暴露于輻射時，由所述金屬氧化物生成氣體。

222、47.一種反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括有包括氣體出口的反應(yīng)室和輻射源，所述反應(yīng)室被構(gòu)造用于容納金屬氧化物，使得在被所述輻射源輻射時，所述金屬氧化物顆粒暴露于所述輻射；并且在所述暴露于輻射時，由所述金屬氧化物生成氣體并且通過所述氣體出口從所述室中釋放。

223、48.根據(jù)實施方案46或47所述的反應(yīng)器，其中所述輻射源是放射性源。

224、49.根據(jù)實施方案46或37所述的反應(yīng)器，其中所述金屬氧化物被配置為在暴露于輻射時釋放氧原子，以生成氧氣和ovmo。

225、50.根據(jù)實施方案46或47所述的反應(yīng)器，其中所述氣體出口被構(gòu)造用于從所述室中排放氧氣。

226、51.根據(jù)實施方案46或47所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括用于從所述室中收集所述ovmo的裝置。

227、52.根據(jù)實施方案46至51中任一項所述的反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括水蒸氣貯存器。

228、53.根據(jù)實施方案52所述的反應(yīng)器，其中所述ovmo被配置為在暴露于來自所述水蒸氣貯存器的水蒸氣時生成氫氣并且發(fā)生再生以獲得所述金屬氧化物。

229、54.根據(jù)實施方案52或53中任一項所述的反應(yīng)器，其中所述氣體出口為氫氣出口或包括氫氣出口。

230、55.一種反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括反應(yīng)室和輻射源，所述反應(yīng)室被構(gòu)造用于容納金屬氧化物，使得在被所述輻射源輻射時，所述金屬氧化物顆粒暴露于所述輻射；并且在所述暴露于輻射時，由所述金屬氧化物生成氣體，并且其中所述輻射源是放射性源。