用于生成氢气和氧气的方法与流程

本公开涉及用于生成氢气和氧气的方法和反应器。

背景技术：

1、以下列出了被认为与目前公开的主题的背景技术相关的参考文献：

2、本文对上述参考文献的承认不应被推断为意指这些参考文献以任何方式与目前公开的主题的专利性相关。

3、背景技术

4、由于环境问题和法规，正在努力使用替代能量源，以消除运输和石化行业中的co2排放。现今存在的常见替代能量源基于风能或太阳能(两者不一致)，因此依赖于具有低经济效率的储存。另一种替代能量源使用核反应器进行电力生产；然而，由于负面感知，核能也受到限制。因此，现有的替代能量源具有促使人们继续寻找可用且经济的替代能量源的缺点。

5、现有的替代能量源(诸如太阳能、风能和核能)分别具有诸如不一致性、低经济效率和负面公众感知的缺点。使用氢作为燃料的燃料电池是用于清洁发电的一种选项；然而，用于生产氢的现有方法是昂贵的。此外，用于生产氢的现有方法需要电。例如，电解槽使用电通过水裂解来生产氢。对于绿色氢生产，电由可再生的绿色能源(诸如太阳功率源、风功率源或核功率源)生产。当检查电-氢转化时，由于在风能和太阳能的情况下依赖于能量储存，或者在核能的情况下的负面感知，此类技术不是高性价比的。

技术实现思路

1、本发明基于用于在时间和/或空间上独立的步骤中生成氧气和/或氢气的方法和反应器的开发。

2、本文所述的方法和反应器不仅允许控制将生产(生成)的气体(即氢气或氧气)的类型，而且允许控制以顺序或连续方式生产气体的能力。

3、如以下实施例中所示，据发现用包括尤其α辐射、β辐射或γ辐射的辐射辐照金属氧化物(mo)降低了金属氧化物的质量。这表明，在辐照金属氧化物时，氧原子从金属氧化物中释放(去除)，可能从金属氧化物表面释放(去除)，从而在金属氧化物中生成空氧位点以及氧气。

4、在下文中，其特征在于具有空氧位点的金属氧化物表示为氧空位金属氧化物(ovmo)。应当指出的是，术语ovmo涵盖其中氧原子中的一个或多个氧原子被去除(释放)的金属氧化物分子。

5、令人惊讶的是，所观察到的金属氧化物质量的减少和氧气的生成发生在比克服mo的结合能所需的温度低的温度处，有时甚至在低2倍、3倍、5倍的温度处。换句话讲，本文所述的方法不涉及为了释放氧原子而将金属氧化物加热至通常需要克服mo的结合能的温度，并且还形成ovmo并生成氧气。

6、如下文进一步所示，在存在氧的情况下、在周围空气中以及在存在水的情况下，氧原子可与ovmo重组，使得ovmo可发生再生以形成mo。因此，考虑到mo-ovmo的可逆性，建议例如在连续暴露于辐照的条件下可以连续地生成氧气。在此类示例中，所形成的ovmo与氧原子重组以再生mo，该mo可进一步用于生成氧气。

7、如以下实施例中进一步所示，使ovmo暴露于水蒸气导致氢气的生成。

8、这表明，在存在ovmo的情况下，由于氧原子(来自水蒸气)与ovmo的重组(再吸收)，水分解(裂解)，从而再生mo以及生成氢气。

9、因此，进一步建议ovmo可适于在暴露于水蒸气之后生成氢气。这种用于生成氢的方法可以是本地的，即在生成ovmo的位点处，也可以是远程的，即通过将ovmo转移或运输到设施。在这两种情况下，ovmo将暴露于水蒸气以生成氢气。

10、附加地或另选地，该方法使得能够顺序生成氧气和氢气(在相关方法中)。具体地，辐照金属氧化物导致氧气生成和ovmo形成，并且在ovmo暴露于水蒸气时，生成氢气并再生金属氧化物，用于进一步的循环。因此，控制暴露于辐射或水蒸气中的一者或多者的定时提供了控制所生成的气体的类型的工具。

11、根据一些方面，本公开提供了一种方法，该方法包括辐照金属氧化物以获得具有氧空位的金属氧化物(ovmo)和氧气，其中辐照是在比克服金属氧化物结合能所需的温度低的温度处进行的。

12、根据一些其他方面，本公开提供了一种方法，该方法包括辐照金属氧化物以获得具有氧空位的金属氧化物(ovmo)和氧气，其中金属氧化物维持在比克服金属氧化物结合能所需的温度低的温度处。

13、在下文中，当提及方法时，应理解为还提及本文所公开的反应器或系统或发生器。因此，每当提供关于该方法的特征时，应理解为定义关于反应器或系统或发生器的相同特征加以必要的变更。

14、应当指出的是，提及比克服金属氧化物结合能所需的温度低的温度应理解为低于通常从金属氧化物中释放至少一个氧原子所需的温度的温度。

15、如所理解的，金属氧化物的结合能是使金属与至少一个氧原子之间的键断裂所需的能量。应当指出的是，有时存在两个结合能，一个结合能用于金属氧化物分子内的每个氧原子。

16、例如，对于其中用于释放氧原子的温度为约1500℃的金属氧化物，在本文开发的方法中，氧原子在较低的温度处释放，甚至低4倍或5倍。建议较低的温度是由于辐照导致的金属氧化物的能量吸收。

17、如所理解的，金属氧化物可以用各种辐射辐照，前提条件是辐射能够在比克服mo结合能所需的温度低的温度处从金属氧化物化合物中释放至少一个氧原子。换句话讲，根据本公开的辐射是不需要将金属氧化物加热至通常需要克服mo的结合能的温度的辐射。在一些示例中，采用该方法使得金属氧化物维持(保持)在比克服mo的结合能所需的温度低的温度。

18、在一些示例中，在辐照期间，金属氧化物处于至多约1500℃、有时至多约1000℃、有时至多约500℃、有时至多约100℃、有时至多约80℃、有时至多50℃的温度。

19、在一些示例中，在辐照期间，金属氧化物处于约1℃与约500℃之间、有时约2℃与约400℃之间、有时约3℃与约300℃之间、有时约4℃与约200℃之间、有时约5℃与约150℃之间的温度。

20、在一些示例中，在辐照期间，金属氧化物处于约20℃与约500℃之间、有时约20℃与约400℃之间、有时约20℃与约300℃之间、有时约20℃与约200℃之间、有时约20℃与约150℃之间、有时约20℃与约100℃之间、有时约20℃与约80℃之间的温度。

21、在一些示例中，在辐照期间，金属氧化物处于约30℃与约500℃之间、有时约50℃与约500℃之间、有时约70℃与约500℃之间、有时约100℃与约500℃之间、有时约150℃与约500℃之间的温度。

22、在一些示例中，该方法适用于生成ovmo和氧气，其中金属氧化物的温度为约5℃、有时约10℃、有时约15℃、有时约17℃、有时约20℃、有时约22℃、有时约25℃、有时约28℃、有时约30℃、有时约35℃。

23、在一些示例中，该方法适用于生成ovmo和氧气，其中金属氧化物的温度为约50℃、有时约60℃、有时约70℃、有时约80℃、有时约90℃、有时约100℃、有时约110℃、有时约120℃、有时约130℃、有时约140℃。

24、在一些示例中，该方法适用于生成ovmo和氧气，其中金属氧化物的温度为约200℃、有时约220℃、有时约240℃、有时约260℃、有时约300℃、有时约350℃、有时约400℃、有时约450℃、有时约500℃。

25、在一些实施方案中，温度可以比克服mo的结合能所需的温度低约3倍、约4倍、约5倍、约6倍、约7倍、约8倍、约9倍、约10倍、约12倍、约15倍、约17倍、约20倍、约22倍、约25倍、约27倍、约30倍、约32倍、约35倍、约37倍、约40倍、约42倍、约45倍、约47倍、约50倍。

26、如所理解的，使金属与氧原子之间的键断裂的温度可以通过用本领域中任何已知的方法测量使键断裂所需的能量来计算。

27、如所理解的，术语“辐射”是指以电磁波或粒子形式发射或传输能量。如本文所用，术语“辐射”涵盖天然辐射以及人造辐射。此外，本文使用的辐射是指热辐射以及非热辐射。

28、在一些实施方案中，辐射是热辐射。

29、在一些实施方案中，辐射是非热辐射。

30、如本文所用，术语非热辐射是指不依赖于源的温度的辐射。

31、在一些示例中，辐照在大气压下进行。在一些实施方案中，辐射每发射的粒子或光子携带至少10ev。

32、在一些示例中，辐射是电磁辐射。在一些示例中，电磁辐射包括高能光子。

33、在一些示例中，电磁辐射是紫外线辐射、x射线辐射和γ辐射(γ)中的至少一种或包括紫外线辐射、x射线辐射和γ辐射(γ)中的至少一种。

34、在一些示例中，电磁辐射是x射线或包括x射线。x射线是一种电磁辐射形式，其波长通常在0.01纳米至10纳米的范围内。

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

36、在一些实施方案中，辐射源是放射性材料。

37、存在可用于本公开的各种放射性材料，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中的至少一种或多种。

38、如所理解的，放射性材料发射α辐射、β辐射或γ辐射或它们的组合。从放射性材料释放的辐射可以包括α辐射、β辐射或γ辐射中的一种或多种。α辐射、β辐射或γ辐射各自在质量、电荷、能量以及因此通过介质的穿透深度和当前商业应用方面不同。

39、在一些示例中，辐射选自由以下项组成的组：α辐射、β辐射或γ辐射。

40、在一些示例中，辐射是α辐射(粒子)。α粒子由两个质子和两个中子(例如，氦原子核)组成，并且是携带正电荷的最重类型的辐射颗粒。地球上天然存在的放射性材料中的许多天然存在的放射性材料，如铀和钍，由于自发核裂变反应而发射α粒子。α辐射不能穿透皮肤并且通过空气行进非常短的距离。需注意，这不是核链反应器，而是自然衰变。

41、在一些示例中，辐射是β辐射(粒子)。β粒子是不附接到原子的电子或正电子。β粒子具有小的质量并且具有负电荷或正电荷。β辐射可以在空气中行进数米，并且可以穿透人皮肤到达表皮的最内层，在该处产生新的皮肤细胞。如果β-发射污染物长时间保留在皮肤上，它们可能会引起皮肤损伤。衣服和消防外衣(turnout gear)提供了一些对抗大多数β辐射的防护。应当穿戴个人防护设备以保护衣服和原本裸露的皮肤免受所有类型的污染。

42、在一些示例中，辐射是γ辐射。γ辐射是电磁辐射；已知的示例是x射线。γ射线对来自放射性核的放射性衰变是特异性的。这些射线类似于太阳光，但是每个光子具有多得多的能量-约一百万倍多。量子力学将电磁波看作被称为光子的离散粒子流，其不携带电荷并且具有非常低的质量。γ辐射是最具穿透性的，具有穿过空气行进数米并进入人体组织数厘米的能力。

43、在一些示例中，辐射是uv辐射。uv辐射或紫外线辐射的波长范围为约10纳米至400纳米，并且基于它们的波长和能量分为三类：uv-a、uv-b和uv-c。如本文所述，可使用uv源施加uv辐射。在一些示例中，uv源是uv灯。

44、如本文所述，辐照至少一种金属氧化物导致由于氧原子的释放而具有空氧位点的金属氧化物(表示为ovmo)。因此，如本文所述，根据本公开的辐射粒子/光子能量应当高于金属氧化物结合能。

45、当提及金属氧化物结合能时，其包括氧-氧和/或金属-氧。通常，与金属结合的第一氧原子具有比第二氧原子低的结合能。

46、如本文所用，金属氧化物是指含有金属阳离子和氧化物阴离子的结晶固体。应当指出的是，术语“金属氧化物”通常是指具有一个或多个氧阴离子的金属阳离子。

47、在本公开的上下文中，金属氧化物可包含单一金属原子或相同或不同的金属原子的组合。

48、本公开不限于特定的金属氧化物，并且可应用于如本文所述的多种金属氧化物。

49、根据本公开，金属氧化物的特征在于允许在金属氧化物中形成氧空位的还原性。

50、在一些示例中，金属氧化物是可还原氧化物。

51、如本文所用，可还原氧化物是指其特征在于交换氧的能力的固态材料。

52、如本文所述，令人惊讶地发现金属氧化物是可还原的，即能够形成氧空位，而无需将金属氧化物加热至克服结合能所需的温度。如本领域中公知的，在金属氧化物中形成氧空位需要涉及温度高于克服金属氧化物结合能所需的温度的条件。

53、因此，本公开的金属氧化物倾向于失去氧或将氧供给到物质并随之改变表面组成，从而生成具有氧空位的金属氧化物，例如，该改变可以是从mom到mom-x。

54、每种金属氧化物中的金属可以选自金属元素，包括元素周期表中的碱金属、碱土金属、过渡金属、镧系元素、锕系元素。

55、在一些示例中，金属氧化物中的金属是过渡金属、镧系元素、锕系元素或它们的任何组合。

56、在一些实施方案中，金属氧化物中的金属是至少一种碱金属。碱金属是位于元素周期表的第一列或第1族中的金属。在一些实施方案中，碱金属是锂(li)、钠(na)、钾(k)、铷(rb)、铯(cs)和钫(fr)中的至少一种。

57、在一些实施方案中，金属氧化物中的金属是至少一种碱土金属。碱土金属是位于元素周期表的第2族中的金属。在一些实施方案中，碱土金属是铍(be)、镁(mg)、钙(ca)、锶(sr)、钡(ba)和镭(ra)中的至少一种。在一些实施方案中，金属氧化物中的金属是过渡金属。

58、如本文所用，过渡金属涵盖d区元素(周期表上的第3族至第12族)以及f区元素(包括镧系元素和锕系元素)中的任何元素。因此，形成本公开的金属氧化物的一部分的过渡金属还涵盖内部过渡金属。

59、如本文所指出的，金属可以是形成金属氧化物的单一金属或形成金属氧化物的组合的不同金属原子的组合。因此，当提及金属时，应理解为还指金属的组合以及因此金属氧化物(相同或不同)的组合。

60、在一些示例中，金属或金属的组合是来自元素周期表的d区元素的金属。

61、在一些示例中，金属或金属的组合是来自元素周期表的f区元素的金属。

62、在一些示例中，金属或金属的组合是来自元素周期表的d区元素和/或元素周期表的f区元素的金属。

63、在一些示例中，金属是镧系元素。

64、在一些示例中，金属是锕系元素。

65、在一些示例中，金属氧化物中的金属是选自由以下项组成的组的至少一种金属：钪(sc)、钛(ti)、钒(v)、铬(cr)、锰(mn)、铁(fe)、钴(co)、镍(ni)、铜(cu)和锌(zn)。第5周期过渡金属是钇(y)、锆(zr)、铌(nb)、钼(mo)、锝(tc)、钌(ru)、铑(rh)、钯(pd)、银(ag)、镉(cd)、镧(la)、铪(hf)、钽(ta)、钨(w)、铼(re)、锇(os)、铱(ir)、铂(pt)、金(au)和汞(hg)、锕(ac)、钅卢(rf)、钅杜(db)、钅喜(sg)、钅波(bh)、钅黑(hs)、钅麦(mt)、鐽(ds)、錀(rg)、鎶(uub)、铈(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、铒(er)、铥(tm)、镱(yb)、镥(lu)、钍(th)、镤(pa)、铀(u)、镎(np)、钚(pu)、镅(am)、锔(cm)、锫(bk)、锎(cf)、锿(es)、镄(fm)、钔(md)、锘(no)和铹(lr)。

66、在一些示例中，金属氧化物中的金属是选自由以下项组成的组的至少一种金属：钪(sc)、钛(ti)、钒(v)、铬(cr)、锰(mn)、铁(fe)、钴(co)、镍(ni)、铜(cu)和锌(zn)。第5周期过渡金属是钇(y)、锆(zr)、铌(nb)、钼(mo)、锝(tc)、钌(ru)、铑(rh)、钯(pd)、银(ag)和镉(cd)。

67、例如，金属氧化物中的金属是选自由以下项组成的组的至少一种金属：镧(la)、铪(hf)、钽(ta)、钨(w)、铼(re)、锇(os)、铱(ir)、铂(pt)、金(au)和汞(hg)、锕(ac)、(rf)、钅杜(db)、钅喜(sg)、钅波(bh)、钅黑(hs)、钅麦(mt)、鐽(ds)、錀(rg)和鎶(uub)。

68、在一些示例中，作为镧系元素的金属氧化物中的金属是选自由以下项组成的组的至少一种金属：铯(ce)、镨(pr)、钕(nd)、钷(pm)、钐(sm)、铕(eu)、钆(gd)、铽(tb)、镝(dy)、钬(ho)、饵(er)、铥(tm)、镱(yb)和镥(lu)。

69、在一些示例中，金属氧化物中的金属是锕系元素。在一些示例中，金属氧化物中的金属是选自由以下项组成的组的至少一种金属：钍(th)、镤(pa)、铀(u)、镎(np)、钚(pu)、镅(am)、锔(cm)、锫(bk)、锎(cf)、锿(es)、镄(fm)、钔(md)、锘(no)和铹(lr)中的至少一种。

70、在一些实施方案中，金属是zr、ce、fe、ni或ti。

71、在一些实施方案中，金属是ce。

72、在一些实施方案中，金属氧化物是zro2(氧化锆)、ceo2(二氧化铈)、feo(氧化亚铁)、nio(氧化镍(ii))、tio(氧化钛(ii))或它们的任何组合中的一种或多种。

73、在一些实施方案中，金属氧化物是ceo2。

74、根据本公开的金属氧化物可以是固态形式。术语固态是指物理状态，其中原子或分子在固定位置密集堆积在一起，从而形成具有确定形状和体积的固体物质。

75、在一些示例中，金属氧化物为粉末形式。固态粉末转变为细颗粒或粉末形式的材料，颗粒的尺寸通常小于1毫米，并且可以由结晶或无定形材料构成。

76、在一些其他示例中，金属氧化物为浆料形式。

77、在一些其他示例中，金属氧化物可以涂层的形式使用。在一些示例中，金属氧化物可用于涂覆阳极。

78、在一些示例中，金属氧化物为膜形式。

79、如本文所述，金属氧化物被配置为在暴露于辐射时(即，当被辐照时)释放至少一个氧原子。换句话讲，金属氧化物发生从mox到mox-y的变化，使得y是1与x之间的整数。释放氧原子之后形成的金属氧化物的特征在于具有氧空位。如本文所用，氧空位是指从金属氧化物(例如，从晶体形式)中缺失的氧原子。

80、也如本文所述，具有氧空位的金属氧化物在本文中表示为ovmo。

81、包括使金属氧化物暴露于辐射的方法可由以下公式(i)表示：

82、

83、其中mo表示金属氧化物，x表示mo中每个金属原子上的氧原子的数量；ep表示每个粒子/光子的辐射能量；y表示从mo(例如，表面；范围在1到x之间)释放的氧原子的量，以形成y/2个氧分子(o2)。mox-y表示具有氧空位的金属氧化物(ovmo)，如本文所述，其特征在于例如在暴露于水蒸气或空气之后重组氧原子的能力。

84、在一些示例中，ovmo的特征在于氧空位。

85、如本文所用，ovmo是指金属氧化物的功能形式。

86、在一些示例中，ovmo是表面暴露的。

87、应当指出的是，在一些示例中，ovmo稳定至多48小时，有时至多24小时。当提及稳定性时，应当指出的是，在完全暴露于氧源(例如，空气或水蒸气环境)的情况下，ovmo维持至少50％的氧空位至多48小时。在具有氧空位的真空密封的金属氧化物的情况下，其稳定性可持续更长时间。

88、ovmo的稳定性可以通过本领域已知的任何方法来确定。其中，扫描隧道显微镜法(stm)、质谱(ms)、热重量分析(tga)或x射线光电子光谱学(xps)可用于表征这些空位。

89、在一些实施方案中，该方法包括收集氧气。

90、在一些实施方案中，该方法包括收集ovmo。

91、根据一些示例，该方法包括使ceo2暴露于放射性辐射。根据一些示例，该方法包括使ceo2暴露于放射性辐射并生成氧气。根据一些示例，该方法包括使ceo2暴露于放射性辐射并生成氧气和ceo。根据一些示例，该方法包括使ceo2暴露于放射性辐射并生成氧气和ce。

92、如本文所述，该方法包括生成氢气。

93、如本文所述，ovmo的特征在于是稳定的，因此可将其转移或运输至需要生成氢气的偏远位置。此类氢气可用于燃料电池中。如所理解的，使用氢气作为燃料的燃料电池是用于清洁发电的一种选项。它们还可影响材料的催化活性和反应性，这可用于诸如燃料电池、催化剂和气体传感器的应用中。

94、附加地或另选地，该方法可以包括附加步骤，在该附加步骤中ovmo形成氢气。

95、在一些实施方案中，该方法包括使ovmo(包括氧空位)暴露于水蒸气。

96、如所理解的，可以在各种压力(例如，大气压)下使用水蒸气。

97、包括使ovmo暴露于水(水蒸气)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属氧化物(ovmo)，该具有氧空位的金属氧化物(ovmo)在存在水蒸气的情况下释放氢(h2)气并且再生回到其原始形式(通过与氧原子重组)。

100、在一些实施方案中，该方法包括收集在ovmo暴露于水蒸气时产生的氢气。

101、如本文所述，本公开的方法生成氧气和氢气两者。因此，根据一些其他方面，本公开提供了一种方法，该方法包括：(i)辐照金属氧化物以获得ovmo和氧气；以及(ii)使ovmo暴露于水蒸气以生成氢气并允许ovmo与氧重组。

102、应当指出的是，ovmo与氧原子的重组基本上再生了金属氧化物分子。

103、根据一些示例，该方法包括使ceo2+暴露于水蒸气。根据一些示例，该方法包括使ce4+暴露于水蒸气。

104、包括使金属氧化物暴露于辐射(即，辐照金属氧化物)以及使ovmo暴露于水(水蒸气)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表示金属氧化物，x表示mo分子中每个金属原子上的氧原子的数量；ep表示每个粒子/光子的辐射能量；y表示从mo(例如，表面；范围在1到x之间)释放的氧原子的量，以形成y/2个氧分子(o2)。mox-y表示在存在水蒸气的情况下释放氢(h2)气体并经历再生(通过与氧原子重组)的ovmo。

108、在一些实施方案中，该方法可适于或用于生成氧气和氢气。

109、在一些实施方案中，该方法可适于或用于生成氧气。

110、在一些实施方案中，该方法可适于或用于生成氢气。

111、如本文所公开的，氢气可在生成氧气后生成，其中金属氧化物具有能够裂解处于蒸汽形式的水的氧空位(ovmo)。

112、根据一些实施方案，该方法包括在第一时间点处使金属氧化物暴露于辐射，以及在不同的时间点处使ovmo暴露于水蒸气。

113、根据一些示例，该不同的时间点晚于该第一时间点。在其中不同的时间点晚于第一时间点的一些示例中，该方法包括生成氧气，随后生成氢气。

114、在一些示例中，该方法包括顺序生成氧气和氢气。在此类示例中，该方法包括重复生成氧气随后生成氢气的步骤。换句话讲，该方法包括以顺序次序重复步骤(i)和(ii)，以允许连续生成氧气和氢气。

115、在一些实施方案中，该方法包括在使ovmo暴露于水蒸气之前排放氧气。

116、在一些实施方案中，该方法包括在使金属氧化物暴露于辐射之前排放氢气。

117、如所理解的，氧气或氢气中的每一种可以被排放以被收集用于进一步的目的。

118、在其中该方法包括连续生成氧气和氢气的一些实施方案中，该方法包括连续移动金属氧化物和ovmo。如本文所述，金属氧化物是氧气生成所必需的，而ovmo是氢气生成所必需的。

119、因此，根据一些方面，本公开提供一种用于连续顺序生成氧气和氢气的方法，该方法包括：

120、-辐照金属氧化物，以获得包括氧空位的金属氧化物(ovmo)和氧气；

121、-排放该氧气的至少一部分；

122、-使该ovmo暴露于水蒸气以再生该金属氧化物以及生成氢气；

123、-排放该氢气的至少一部分。

124、当用于连续顺序生成氧气和氢气时，上述步骤在本文中表示为“顺序操作循环”。

125、如所理解的，该方法包括可以根据需要重复若干次的顺序操作循环。

126、在一些实施方案中，该方法包括至少两个顺序操作循环，每个顺序操作循环包括生成氢气和氧气。

127、在一些实施方案中，在该方法中，该不同的时间点与该时间点相同。在其中不同的时间点与第一时间点相同的一些示例中，该方法包括在生成氢气的同时生成氧气。

128、在一些示例中，该方法包括生成氧气和氢气。在此类示例中，该方法包括重复生成氧气和生成氢气的步骤。换句话讲，该方法包括重复步骤(i)以允许生成氧气并且重复步骤(ii)以允许生成氢气。

129、在一些实施方案中，该方法包括排放氧气。

130、在一些实施方案中，该方法包括排放氢气。

131、如所理解的，氧气或氢气中的每一种可以被排放以被收集用于进一步的目的。

132、因此，根据一些方面，本公开提供一种用于连续生成氧气和氢气的方法，该方法包括：

133、-使金属氧化物颗粒暴露于辐射，以获得ovmo(包括氧空位)和氧气；

134、-使ovmo y暴露于水蒸气以再生金属氧化物颗粒以及生成氢气。

135、当用于连续生成氧气和氢气时，上述步骤在本文中表示为“连续操作循环”。

136、如所理解的，该方法包括可以根据需要重复若干次的连续操作循环。

137、在一些方面，本公开提供了一种用于氧气生成的方法，该方法包括使金属氧化物暴露于放射性辐射。

138、在一些方面，本公开提供了一种用于氧气生成的方法，该方法包括使ceo2暴露于放射性辐射。

139、在一些方面，本公开提供了一种用于氧气生成的方法，该方法包括使金属氧化物暴露于放射性辐射，其中金属氧化物的温度为至多1000℃。

140、在一些方面，本公开提供了一种用于氧气生成的方法，该方法包括使ceo2暴露于放射性辐射，其中ceo2处于至多1000℃的温度。

141、在一些方面，本公开提供了一种用于氢气生成的方法，该方法包括使ovceo2暴露于水蒸气。

142、在一些方面，本公开提供了一种用于气体生成的方法，该方法包括使金属氧化物暴露于放射性辐射以形成ovmo并使ovmo暴露于水蒸气。

143、在一些方面，本公开提供了一种用于气体生成的方法，该方法包括使ceo2暴露于放射性辐射以形成ovceo2并使ovceo2暴露于水蒸气。

144、在其中该方法适用于ceo2的一些示例中，包括使ceo2暴露于辐射(即，辐照ceo2)以及使ceo2-y暴露于水(水蒸气)的方法可由以下公式(iv)表示：

145、

146、ceo2-y+yh2o→ceo2+yh2  (iv).

147、根据一些方面，本公开还提供一种反应器。如本文所用，反应器可被认为是氧发生器和/或氢发生器。

148、该反应器包括有包括气体出口的反应室和辐射源，该反应室被构造用于容纳金属氧化物，使得在被辐射源辐照时，金属氧化物暴露于辐射；并且在暴露于辐射时，气体由金属氧化物颗粒生成并通过气体出口从室中释放，其中辐照不涉及将金属氧化物加热至高于克服mo的结合能所需的温度的温度。

149、在一些实施方案中，气体出口被构造用于从室中排放氧气。

150、在一些实施方案中，辐射源被配置为用放射性辐射辐照金属氧化物。

151、反应器可以包括附加的部件。

152、在一些实施方案中，室包括从该室收集ovmo的装置。

153、在一些实施方案中，室包括水蒸气贮存器。

154、在一些实施方案中，气体出口被构造成从反应器排放氢气。

155、在一些方面，提供了一种用于生成氧气和氢气的反应器，该反应器包括至少一个室、至少一个辐照源和水贮存器，其中该至少一个室被构造用于容纳至少一种金属氧化物和/或ovmo，使得在被辐射源辐照时，金属氧化物暴露于辐射；并且在mo暴露于辐射时，由金属氧化物生成氧气和ovmo，并且其中在ovmo暴露于水蒸气时，生成氢气并形成mo。

156、根据一些示例，反应器包括至少一个气体出口，有时包括氧气出口和氢气出口。

157、在一些示例中，至少一个室内的金属氧化物处于比克服mo的结合能所需的温度低的温度。

158、在一些示例中，反应器包括传送带。

159、在一些实施方案中，用于生成ovmo和氧气的反应器如图13a所示。在一些实施方案中，用于生成ovmo和氧气的反应器如图13b所示。

160、在一些实施方案中，用于生成ovmo和氧气的反应器如图15所示。在一些实施方案中，用于生成ovmo和氧气的反应器如图16所示。

161、在一些实施方案中，用于生成氢气的反应器如图17a所示。在一些实施方案中，用于生成氢气的反应器如图17b所示。

162、如本文所用，术语“约”表示可以比所提及的值最多向上或向下偏离1％、更具体地5％、更具体地10％、更具体地15％，并且在一些情况下最多向上或向下偏离20％的值，该偏离范围包括构成连续范围的整数值，如果适用的话，还包括非整数值。在一些实施方案中，术语“约”是指±10％。

163、应当注意的是，本发明的各种实施方案可以以范围格式呈现。对范围的描述应当被认为已经具体公开了所有可能的子范围，以及该范围内的各个数值。例如，对诸如从1至6或在1与6之间的范围的描述应当被认为已经具体公开了诸如从1至3、从1至4、从1至5、从2至4、从2至6、从3至6等子范围，以及在该范围内的各个数字，例如1、2、3、4、5和6。

164、如本文所用，除非上下文另外明确指出，否则形式“一个/一种(a/an)”和“该/所述(the)”包括单数以及复数引用。

165、应当理解，为清晰起见在各独立实施方案的上下文中描述的本发明的某些特征，也可以组合形式提供在单个实施方案中。相反，为简明起见在单个实施方案的上下文中描述的本发明的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供，或者在适当时，在本发明的任何其他所述实施方案中提供。在各种实施方案的上下文中描述的某些特征不被认为是那些实施方案的基本特征，除非该实施方案在没有那些要素的情况下就无法实施。

166、应当注意的是，本文中结合本发明的各种方面详述的各种实施方案和示例可适用于本文中所公开的一个或多个方面。还应当注意的是，本文所述的任何实施方案(例如，涉及方法)可单独应用或以各种组合应用。如上文所描述以及如下面的权利要求书部分中所要求保护的本发明的各种实施方案和方面在以下实施例中得到实验支持。如本文所用的短语“在另一实施方案中”或对实施方案的任何提及不一定是指不同的实施方案，尽管它可能是指不同的实施方案。因此，在不脱离本发明的范围的情况下，可(从相同方面或从不同方面)组合本发明的各种实施方案。

167、如上文所描述以及如下面的权利要求书部分中所要求保护的本发明的各种实施方案和方面在以下实施例中得到实验支持。

168、所公开和描述的，应当理解，本发明不限于本文所公开的具体实施例、方法步骤和反应器，因为此类方法步骤和反应器都可以稍微改变。还应当理解，本文所用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，而不旨在进行限制，因为本发明的范围将仅受到所附权利要求书及其等同物的限制。

169、以下实施例代表了由本发明人在进行本发明的多个方面时所采用的技术。应当理解，尽管这些技术是用于实践本发明的优选实施方案的示例，但是根据本公开，本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的实质和预期范围的情况下，可以进行许多修改。

170、实施方案

171、现在将在以下编号段落中描述本公开的一些实施方案。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、1.一种方法，所述方法包括使金属氧化物暴露于辐射，以生成氧空位金属氧化物(ovmo)和氧气。

173、2.根据实施方案1所述的方法，所述方法包括使所述金属氧化物暴露于辐照，其中所述金属氧化物处于比克服金属氧化物结合能所需的温度低的温度。

174、3.根据实施方案2所述的方法，其中所述温度为至多约1500℃。

175、4.根据实施方案3所述的方法，其中所述温度为至多约500℃。

176、5.根据实施方案4所述的方法，其中所述温度为至多约80℃。

177、6.根据实施方案2所述的方法，其中所述温度在约20℃与约500℃之间。

178、7.根据实施方案1所述的方法，其中所述辐射是非热辐射。

179、8.根据实施方案1所述的方法，其中所述辐射选自由以下项组成的组：电子束辐射、α辐射、β辐射、γ辐射和uv辐射。

180、9.根据实施方案1至8中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物中的金属是以下项中的至少一种：(i)至少一种碱金属、(ii)至少一种碱土金属、(iii)至少一种过渡金属、(iv)至少一种镧系元素金属、(v)至少一种锕系元素金属或(vi)它们的组合。

181、10.根据实施方案1至9中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物中的所述金属是以下项中的至少一种：(i)至少一种过渡金属、(ii)至少一种镧系元素金属、(iii)至少一种锕系元素金属或(iv)它们的组合。

182、11.根据实施方案1至10中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物中的所述金属是以下项中的至少一种：锆(zr)、铈(ce)、铁(fe)、钛(ti)、镍(ni)或它们的任何组合。

183、12.根据实施方案1至11中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物选自由以下项组成的组：zro2、ceo2、feo、tio和nio。

184、13.根据实施方案12所述的方法，其中所述金属氧化物是ceo2。

185、14.根据实施方案1至13中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物为固态。

186、15.根据实施方案1至14中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物为粉末形式或者涂覆表面。

187、16.根据实施方案1至15中任一项所述的方法，所述方法包括收集所述氧气。

188、17.根据实施方案1至16中任一项所述的方法，所述方法包括收集包括氧空位的所述ovmo。

189、18.根据实施方案1至17中任一项所述的方法，所述方法包括使所述ovmo暴露于水蒸气。

190、19.根据实施方案18所述的方法，所述方法包括收集在所述ovmo暴露于所述水蒸气时产生的氢气。

191、20.一种方法，所述方法包括：

192、(i)使金属氧化物暴露于辐射，以获得ovmo和氧气；以及

193、(ii)使所述ovmo暴露于水蒸气以再生金属氧化物颗粒以及生成氢气。

194、21.根据实施方案20所述的方法，所述方法包括使所述金属氧化物暴露于辐照，其中所述金属氧化物处于比克服金属氧化物结合能所需的温度低的温度。

195、22.根据实施方案21所述的方法，其中所述温度为至多约1500℃。

196、23.根据实施方案22所述的方法，其中所述温度为至多约500℃。

197、24.根据实施方案23所述的方法，其中所述温度为至多约80℃。

198、25.根据实施方案21所述的方法，其中所述温度在约20℃与约500℃之间。

199、26.根据实施方案20所述的方法，所述方法包括重复步骤(i)和(ii)以允许生成氧气和氢气。

200、27.根据实施方案20所述的方法，所述方法包括重复步骤(i)和(ii)以允许顺序生成氧气和氢气。

201、28.根据实施方案20所述的方法，所述方法包括重复步骤(i)和(ii)以允许连续生成氧气和氢气。

202、29.根据实施方案20至28中任一项所述的方法，所述方法包括收集所述氧气。

203、30.根据实施方案29所述的方法，所述方法包括在步骤(ii)之前收集所述氧气。

204、31.根据实施方案20至30中任一项所述的方法，所述方法包括收集所述ovmo。

205、32.根据实施方案31所述的方法，所述方法包括在步骤(ii)之前收集所述ovmo。

206、33.根据实施方案20至32中任一项所述的方法，所述方法包括收集所述氢气。

207、34.根据实施方案33所述的方法，所述方法包括在步骤(ii)之后收集所述氢气。

208、35.一种方法，所述方法包括使ceo2暴露于辐射，以生成氧空位ceo2(ovmo)和氧气。

209、36.一种方法，所述方法包括：

210、(i)使ceo2暴露于辐射，以获得氧空位ceo2和氧气；以及

211、(ii)使所述氧空位ceo2暴露于水蒸气以再生所述ceo2以及生成氢气。

212、37.根据实施方案35或36所述的方法，所述方法包括使ceo2暴露于辐照，其中所述ceo2处于低于1500℃的温度。

213、38.根据实施方案37所述的方法，其中所述ceo2处于低于300℃的温度。

214、39.根据实施方案37或38所述的方法，其中所述ceo2处于约20℃与约100℃之间的温度。

215、40.根据实施方案35至39中任一项所述的方法，其中所述辐射选自由以下项组成的组：电子束辐射、α辐射、β辐射、γ辐射和uv辐射。

216、41.根据实施方案40所述的方法，其中所述辐射是放射性辐射。

217、42.根据实施方案35至41中任一项所述的方法，所述方法包括收集所述氧气。

218、43.根据实施方案35至42中任一项所述的方法，所述方法包括收集包括氧空位的所述氧空位ceo2。

219、44.根据实施方案35所述的方法，所述方法包括使所述氧空位ceo2暴露于水蒸气。

220、45.根据实施方案44所述的方法，所述方法包括收集在所述氧空位ceo2暴露于所述水蒸气时产生的氢气。

221、46.一种反应器，所述反应器包括反应室、辐射源，所述反应室被构造用于容纳金属氧化物，使得在被所述辐射源辐射时，所述金属氧化物颗粒暴露于所述辐射；并且在所述暴露于辐射时，由所述金属氧化物生成气体。

222、47.一种反应器，所述反应器包括有包括气体出口的反应室和辐射源，所述反应室被构造用于容纳金属氧化物，使得在被所述辐射源辐射时，所述金属氧化物颗粒暴露于所述辐射；并且在所述暴露于辐射时，由所述金属氧化物生成气体并且通过所述气体出口从所述室中释放。

223、48.根据实施方案46或47所述的反应器，其中所述辐射源是放射性源。

224、49.根据实施方案46或37所述的反应器，其中所述金属氧化物被配置为在暴露于辐射时释放氧原子，以生成氧气和ovmo。

225、50.根据实施方案46或47所述的反应器，其中所述气体出口被构造用于从所述室中排放氧气。

226、51.根据实施方案46或47所述的反应器，所述反应器包括用于从所述室中收集所述ovmo的装置。

227、52.根据实施方案46至51中任一项所述的反应器，所述反应器包括水蒸气贮存器。

228、53.根据实施方案52所述的反应器，其中所述ovmo被配置为在暴露于来自所述水蒸气贮存器的水蒸气时生成氢气并且发生再生以获得所述金属氧化物。

229、54.根据实施方案52或53中任一项所述的反应器，其中所述气体出口为氢气出口或包括氢气出口。

230、55.一种反应器，所述反应器包括反应室和辐射源，所述反应室被构造用于容纳金属氧化物，使得在被所述辐射源辐射时，所述金属氧化物颗粒暴露于所述辐射；并且在所述暴露于辐射时，由所述金属氧化物生成气体，并且其中所述辐射源是放射性源。