<?xml version="1.0" encoding="UTF-8"?>
<!DOCTYPE article PUBLIC "-//NLM//DTD Journal Archiving and Interchange DTD v2.3 20070202//EN" "archivearticle.dtd">
<article article-type="methods-article" dtd-version="2.3" xml:lang="EN" xmlns:mml="http://www.w3.org/1998/Math/MathML" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink">
<front>
<journal-meta>
<journal-id journal-id-type="publisher-id">Front. Energy Res.</journal-id>
<journal-title>Frontiers in Energy Research</journal-title>
<abbrev-journal-title abbrev-type="pubmed">Front. Energy Res.</abbrev-journal-title>
<issn pub-type="epub">2296-598X</issn>
<publisher>
<publisher-name>Frontiers Media S.A.</publisher-name>
</publisher>
</journal-meta>
<article-meta>
<article-id pub-id-type="publisher-id">1665986</article-id>
<article-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2025.1665986</article-id>
<article-categories>
<subj-group subj-group-type="heading">
<subject>Energy Research</subject>
<subj-group>
<subject>Methods</subject>
</subj-group>
</subj-group>
</article-categories>
<title-group>
<article-title>REDOTHERM: a thermodynamic modeling framework for redox-based thermochemical processes</article-title>
<alt-title alt-title-type="left-running-head">Lidor and Martinek</alt-title>
<alt-title alt-title-type="right-running-head">
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://doi.org/10.3389/fenrg.2025.1665986">10.3389/fenrg.2025.1665986</ext-link>
</alt-title>
</title-group>
<contrib-group>
<contrib contrib-type="author" corresp="yes">
<name>
<surname>Lidor</surname>
<given-names>Alon</given-names>
</name>
<xref ref-type="corresp" rid="c001">&#x2a;</xref>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1402269/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/conceptualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/data-curation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/formal-analysis/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/project-administration/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/visualization/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
<contrib contrib-type="author">
<name>
<surname>Martinek</surname>
<given-names>Janna</given-names>
</name>
<uri xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/3221231/overview"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/investigation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/methodology/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/validation/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/writing-original-draft/"/>
<role content-type="https://credit.niso.org/contributor-roles/Writing - review &#x26; editing/"/>
</contrib>
</contrib-group>
<aff>
<institution>National Renewable Energy Laboratory</institution>, <addr-line>Golden</addr-line>, <addr-line>CO</addr-line>, <country>United States</country>
</aff>
<author-notes>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Edited by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1115379/overview">Julie Mougin</ext-link>, CEA/LITEN, France</p>
</fn>
<fn fn-type="edited-by">
<p>
<bold>Reviewed by:</bold> <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/1413258/overview">Abhishek Kumar Singh</ext-link>, University of Twente, Netherlands</p>
<p>
<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://loop.frontiersin.org/people/3136682/overview">Alberto De La Calle</ext-link>, Spanish National Research Council (CSIC), Spain</p>
</fn>
<corresp id="c001">&#x2a;Correspondence: Alon Lidor, <email>alon.lidor@nrel.gov</email>
</corresp>
</author-notes>
<pub-date pub-type="epub">
<day>07</day>
<month>10</month>
<year>2025</year>
</pub-date>
<pub-date pub-type="collection">
<year>2025</year>
</pub-date>
<volume>13</volume>
<elocation-id>1665986</elocation-id>
<history>
<date date-type="received">
<day>14</day>
<month>07</month>
<year>2025</year>
</date>
<date date-type="accepted">
<day>15</day>
<month>09</month>
<year>2025</year>
</date>
</history>
<permissions>
<copyright-statement>Copyright &#xa9; 2025 Lidor and Martinek.</copyright-statement>
<copyright-year>2025</copyright-year>
<copyright-holder>Lidor and Martinek</copyright-holder>
<license xlink:href="http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/">
<p>This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution License (CC BY). The use, distribution or reproduction in other forums is permitted, provided the original author(s) and the copyright owner(s) are credited and that the original publication in this journal is cited, in accordance with accepted academic practice. No use, distribution or reproduction is permitted which does not comply with these terms.</p>
</license>
</permissions>
<abstract>
<p>Two-step thermochemical redox cycles are being developed as a potential pathway for the production of hydrogen and syngas. While there are many possible reactor and system configurations, moving oxide systems are considered promising in terms of the redox thermodynamics, due to the potential implementation of a countercurrent system that can achieve higher performance compared to other configurations. There is a lack of a robust thermodynamic modeling framework in the field, with multiple models incorporating incorrect thermodynamic assumptions that violate the second law of thermodynamics. We present in this work REDOTHERM, an open-source system model for moving oxides that incorporates the correct thermodynamic limits, as well as various options for the system auxiliary units including product separation, heat recovery, and oxygen removal. The model is agnostic to the energy source, and could be used for solar thermal or other configurations. We highlight the uses of this model, presenting some of the tradeoffs and challenges in redox-active material selection and how they affect the entire thermochemical hydrogen production process. This model could be easily adapted and used for material exploration, system/reactor design, and technoeconomic analysis.</p>
</abstract>
<kwd-group>
<kwd>chemical looping</kwd>
<kwd>solar thermochemical hydrogen production</kwd>
<kwd>system modeling</kwd>
<kwd>advanced water splitting</kwd>
<kwd>thermodynamic modeling</kwd>
</kwd-group>
<contract-num rid="cn001">DE-EE0010731 DE-EE0010732</contract-num>
<contract-sponsor id="cn001">Hydrogen and Fuel Cell Technologies Office<named-content content-type="fundref-id">10.13039/100010268</named-content>
</contract-sponsor>
<custom-meta-wrap>
<custom-meta>
<meta-name>section-at-acceptance</meta-name>
<meta-value>Process and Energy Systems Engineering</meta-value>
</custom-meta>
</custom-meta-wrap>
</article-meta>
</front>
<body>
<sec id="s1">
<title>1 Introduction</title>
<p>There is a significant growing interest in chemical looping processes where a metal oxide is used as an oxygen carrier in a redox cycle. These processes include chemical looping combustion, chemical looping reforming, chemical looping gasification, and thermochemical fuel production from water and <inline-formula id="inf1">
<mml:math id="m1">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B4">Adanez et al., 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B17">Fan, 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B22">Kathe et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B53">Zhao et al., 2017</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Romero and Steinfeld, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B47">Warren and Weimer, 2022</xref>). Two-step thermochemical redox cycles provide a route to split water and/or <inline-formula id="inf2">
<mml:math id="m2">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> driven by thermal rather than electrical inputs, while inherently separating <inline-formula id="inf3">
<mml:math id="m3">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from <inline-formula id="inf4">
<mml:math id="m4">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or <inline-formula id="inf5">
<mml:math id="m5">
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> products, respectively. Numerous oxide materials have been considered for the process (<xref ref-type="bibr" rid="B40">Scheffe and Steinfeld, 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B7">Budama et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B48">Warren et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B33">Mao et al., 2020</xref>). Early efforts focused on oxides that can operate in a two-step cycle and undergo stoichiometric reduction such as <inline-formula id="inf6">
<mml:math id="m6">
<mml:mrow>
<mml:mtext>ZnO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf7">
<mml:math id="m7">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>SnO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf8">
<mml:math id="m8">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Fe</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, or ferrite materials (<inline-formula id="inf9">
<mml:math id="m9">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Fe</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). However, challenges with rapid quenching requirements for volatile oxide materials, sintering, and cyclic stability led to a shift toward non-stoichiometric oxides including <inline-formula id="inf10">
<mml:math id="m10">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, doped <inline-formula id="inf11">
<mml:math id="m11">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, or various perovskite (<inline-formula id="inf12">
<mml:math id="m12">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ABO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) materials (<xref ref-type="bibr" rid="B1">Abanades and Flamant, 2006</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B13">Chueh et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B2">Abanades et al., 2010</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B41">Siegel et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B35">McDaniel et al., 2013</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B40">Scheffe and Steinfeld, 2014</xref>). The lattice structure of non-stoichiometric oxides can accommodate anion or cation vacancies, providing fast kinetic rates along with long-term cyclic physical and chemical stability (<xref ref-type="bibr" rid="B13">Chueh et al., 2010</xref>).</p>
<p>In a typical two-step non-stoichiometric metal oxide redox cycle, the endothermic reduction of the oxide is carried out as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e1">Equation 1</xref> where <inline-formula id="inf13">
<mml:math id="m13">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the change in non-stoichiometry between the reduced and oxidized states.<disp-formula id="e1">
<mml:math id="m14">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>y</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>y</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(1)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>This is followed by an exothermic oxidation step with either steam or <inline-formula id="inf14">
<mml:math id="m15">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in <xref ref-type="disp-formula" rid="e2">Equation 2</xref> or <xref ref-type="disp-formula" rid="e3">Equation 3</xref> thereby completing the cycle.<disp-formula id="e2">
<mml:math id="m16">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>y</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>y</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(2)</label>
</disp-formula>
<disp-formula id="e3">
<mml:math id="m17">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>y</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2192;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>M</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>x</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>y</mml:mtext>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(3)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The endothermic reduction reaction is thermodynamically favored at high temperature and low oxygen partial pressure conditions, whereas the exothermic oxidation is thermodynamically favored by comparatively lower temperatures and high steam or <inline-formula id="inf15">
<mml:math id="m18">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> concentration.</p>
<p>The techno-economic potential of chemical looping for <inline-formula id="inf16">
<mml:math id="m19">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or syngas production can only be realistically evaluated when viewed within the context of the full system including not only the thermochemical reactor(s), but also requirements for all unit operations including heat recuperation, product separations, etc. This presents numerous tradeoffs in the selection of ideal system conditions including target temperature and pressure conditions for each the reduction and oxidation reactors, and relative sweep gas or steam/<inline-formula id="inf17">
<mml:math id="m20">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> flow rates (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Li et al., 2018a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B16">Ehrhart et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Lidor and Bulfin, 2024</xref>). For example, conditions which maximize <inline-formula id="inf18">
<mml:math id="m21">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf19">
<mml:math id="m22">
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> productivity per mass of oxide (high reduction temperature, large difference between reduction and oxidation temperatures, large excess of steam or <inline-formula id="inf20">
<mml:math id="m23">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) can lead to low steam or <inline-formula id="inf21">
<mml:math id="m24">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> conversion along with energy- and capital-intensive heat exchange and separation operations. These costs are not trivial, for example, the cost of separation in reverse water-gas shift processes can be more expensive than the reactor itself (<xref ref-type="bibr" rid="B52">Zang et al., 2021</xref>). In addition, low feedstock conversion produces low power density, which means larger reactor volumes and a larger mass of redox-active material required to produce a given quantity of product (<xref ref-type="bibr" rid="B28">Lidor and Bulfin, 2024</xref>).</p>
<p>Coupling chemical looping redox cycles with concentrated solar thermal (CST) systems was first proposed as a potential pathway for the production of hydrogen during the 1970s (<xref ref-type="bibr" rid="B36">Nakamura, 1977</xref>). A myriad of widely-varying reactor concepts exist in the literature, including directly- and indirectly-irradiated designs as well as batch vs. flow-through designs (<xref ref-type="bibr" rid="B42">Steinfeld, 2005</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B18">Gokon et al., 2011</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B39">Romero and Steinfeld, 2012</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B21">Hathaway et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B43">Thanda et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B7">Budama et al., 2022</xref>). Many analyses pair a specific oxide material with a specific reactor design, and the resulting experimental or model-predicted performance combines the underlying material thermodynamics with heat and mass transfer limitations and characteristics that arise from the reactor design and/or selected operating conditions. These studies can provide valuable comprehensive assessments for the specific combination of oxide material, reactor, and operating conditions; however, there is little opportunity for extrapolation, direct comparison between oxide materials, or rapid iteration over wide ranges of temperature, material, and flow conditions for system-level performance optimization.</p>
<p>Most reactor designs can be conceptually categorized as fixed-bed batch reactors, fluidized-bed batch reactors, or flow-through designs employing parallel-flow (PF), mixed flow, or counter-current flow (CF) configurations. A general sketch of both PF and CF configurations is presented in <xref ref-type="fig" rid="F1">Figure 1</xref>. Counter-current flow conditions are widely accepted as providing a theoretical upper limit on performance; however, as discussed by (<xref ref-type="bibr" rid="B26">Li et al., 2018b</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B25">Li et al., 2018a</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B8">Bulfin, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B14">de la Calle et al., 2022</xref>; and <xref ref-type="bibr" rid="B15">de la Calle et al., 2024</xref>), many past thermodynamic models for counter-current systems relied on inaccurate thermodynamic assumptions and thereby underestimate sweep gas and oxidizer flow requirements. This work aims to provide a simple thermodynamically-consistent model that can predict thermodynamic limits of <inline-formula id="inf22">
<mml:math id="m25">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exchange in various systems of moving redox-active materials during reduction and oxidation, coupled with performance of system auxiliary units, in order to facilitate material comparison and wide-ranging evaluation of potential operating conditions.</p>
<fig id="F1" position="float">
<label>FIGURE 1</label>
<caption>
<p>Comparison between parallel flow (cocurrent) and counterflow configurations with exchange of species A between the two streams (from <xref ref-type="bibr" rid="B8">Bulfin (2019)</xref> under CC-BY-NC license).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g001.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graphic showing cocurrent and countercurrent flow. In cocurrent flow, two arrows in the same direction and a graph with diverging lines. In countercurrent flow, arrows in opposite directions and a graph with nearly parallel lines.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>The paper follows to detail the modeling framework (<xref ref-type="sec" rid="s2">Section 2</xref>), demonstrate the use of the modeling framework through an analysis of redox systems for thermochemical <inline-formula id="inf23">
<mml:math id="m26">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf24">
<mml:math id="m27">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> splitting (<xref ref-type="sec" rid="s3">Section 3</xref>) as a sample use case, and ends with conclusions (<xref ref-type="sec" rid="s4">Section 4</xref>).</p>
</sec>
<sec id="s2">
<title>2 Model</title>
<p>The thermodynamic model is based on the methodology developed and presented in (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Bulfin, 2019</xref>), used in determining the thermodynamically-limited upper bounds of the process without considering transport limitations such as heat/mass transfer, or temperature and pressure gradients within the reactor system. We briefly present here the core methodology to allow the reader to follow our additional development of model extensions. For the full derivation the reader is referred to the original paper by (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Bulfin, 2019</xref>).</p>
<sec id="s2-1">
<title>2.1 Original thermodynamic model and its application to thermal reduction</title>
<p>The problem is formulated using an exchange coordinate <inline-formula id="inf25">
<mml:math id="m28">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which is independent of the reactor size, as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e4">Equation 4</xref>:<disp-formula id="e4">
<mml:math id="m29">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x222b;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="|" close="|">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>d</mml:mtext>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(4)</label>
</disp-formula>with A the species being exchanged, <inline-formula id="inf26">
<mml:math id="m30">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the molar flux of species A from flow 1 to flow 2, <inline-formula id="inf27">
<mml:math id="m31">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the molar flow rate of flow 1, and <inline-formula id="inf28">
<mml:math id="m32">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the position along the reactor. In practical terms for redox cycles, <inline-formula id="inf29">
<mml:math id="m33">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> would denote the change in the mole fraction of any reaction species along the reactor (an example provided in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>). The condition for a spontaneous transfer process of species A from flow 1 to flow 2 must fulfill <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref>:<disp-formula id="e5">
<mml:math id="m34">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x2200;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2208;</mml:mo>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(5)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf30">
<mml:math id="m35">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> being the chemical potential. Applying the conservation of mass, we note that the number of moles of A that have left flow 1 must equal to the amount of moles that have entered flow 2, at any point along the reactor. For the parallel flow (co-current) case this yields in <xref ref-type="disp-formula" rid="e6">Equation 6</xref>:<disp-formula id="e6">
<mml:math id="m36">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(6)</label>
</disp-formula>while for counter-current flow the exchange coordinate of flow 2 is reversed, as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e7">Equation 7</xref> yielding<disp-formula id="e7">
<mml:math id="m37">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2261;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(7)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The thermodynamic upper limit for the exchange of A in a parallel flow (co-current) system is given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref>:<disp-formula id="e8">
<mml:math id="m38">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(8)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf31">
<mml:math id="m39">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> equal to <inline-formula id="inf32">
<mml:math id="m40">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the reactor outlet. For the counter-current case, the chemical potential can meet at each boundary, share a common tangent somewhere within the reactor, or have all of species A transferred from flow 1 to flow 2. These are given by<disp-formula id="e9">
<mml:math id="m41">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mtext>&#x2009;or </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>total</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(9)</label>
</disp-formula>and<disp-formula id="e10">
<mml:math id="m42">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x2202;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mtext>&#x2009;and </mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>A,</mml:mtext>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(10)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>In the case of a complete transfer of A from flow 1 to flow 2, neither <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref> nor <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref> are binding, but the fundamental thermodynamic condition of <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref> is met within the entirety of the reactor length. Two system parameters that are needed to calculate the <inline-formula id="inf33">
<mml:math id="m43">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exchange during reduction are the ratio between the molar flow rates of both streams <xref ref-type="disp-formula" rid="e11">Equation 11</xref>:<disp-formula id="e11">
<mml:math id="m44">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sg,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(11)</label>
</disp-formula>and the <inline-formula id="inf34">
<mml:math id="m45">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction in the inert sweep gas <inline-formula id="inf35">
<mml:math id="m46">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <inline-formula id="inf36">
<mml:math id="m47">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sg,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the molar flow rate of the inert sweep gas at the reactor inlet and <inline-formula id="inf37">
<mml:math id="m48">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the redox-active material molar flow rate. Assuming an isothermal and isobaric reactor, the chemical potential becomes a function of the <inline-formula id="inf38">
<mml:math id="m49">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> partial pressure <inline-formula id="inf39">
<mml:math id="m50">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The <inline-formula id="inf40">
<mml:math id="m51">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> partial pressure at the reactor outlet is then calculated as a function of <inline-formula id="inf41">
<mml:math id="m52">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This can be obtained from the relation between the <inline-formula id="inf42">
<mml:math id="m53">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> partial pressure and the <inline-formula id="inf43">
<mml:math id="m54">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction at the reactor outlet, after the oxygen exchange occurred <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>:<disp-formula id="e12">
<mml:math id="m55">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>sg</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(12)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf44">
<mml:math id="m56">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the <inline-formula id="inf45">
<mml:math id="m57">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction at the reactor inlet (function of the sweep gas purity), <inline-formula id="inf46">
<mml:math id="m58">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the total <inline-formula id="inf47">
<mml:math id="m59">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exchange, and <inline-formula id="inf48">
<mml:math id="m60">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the total reactor pressure during reduction. Since each mole of <inline-formula id="inf49">
<mml:math id="m61">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> released from the oxide will create two <inline-formula id="inf50">
<mml:math id="m62">
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> vacancies in the oxide material, we can calculate the <inline-formula id="inf51">
<mml:math id="m63">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> partial pressure of the oxide using <xref ref-type="disp-formula" rid="e13">Equation 13</xref>:<disp-formula id="e13">
<mml:math id="m64">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(13)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf52">
<mml:math id="m65">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext mathvariant="italic">ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the initial non-stoichiometry extent at the end of oxidation and <inline-formula id="inf53">
<mml:math id="m66">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the total <inline-formula id="inf54">
<mml:math id="m67">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exchange, same as in <xref ref-type="disp-formula" rid="e12">Equation 12</xref>. This formulation allows us to numerically solve for increasing <inline-formula id="inf55">
<mml:math id="m68">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from 0 to <inline-formula id="inf56">
<mml:math id="m69">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while checking the criteria in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> for each <inline-formula id="inf57">
<mml:math id="m70">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The maximum <inline-formula id="inf58">
<mml:math id="m71">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> transfer that is calculated without violating the constraints in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equations 8</xref>&#x2013;<xref ref-type="disp-formula" rid="e10">10</xref> is denoted as <inline-formula id="inf59">
<mml:math id="m72">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, being the maximum species exchange during reduction.</p>
</sec>
<sec id="s2-2">
<title>2.2 Model extension</title>
<p>During the oxidation, a flow of <inline-formula id="inf60">
<mml:math id="m73">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf61">
<mml:math id="m74">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> enters the reactor and re-oxidizes the redox-active material, splitting the gaseous reactant into <inline-formula id="inf62">
<mml:math id="m75">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf63">
<mml:math id="m76">
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. The conversion is usually incomplete, so the reactor outlet stream consists of a mixture of unconverted reactants and products. Following the same methodology as in the reduction reaction, we calculate the chemical potential of both gas and solid phases, to ensure the solution would adhere to requirements of a spontaneous process per <xref ref-type="disp-formula" rid="e5">Equation 5</xref>. The equilibrium constant for the thermolysis reaction (<inline-formula id="inf64">
<mml:math id="m77">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf65">
<mml:math id="m78">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) in the gas phase can be written as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>:<disp-formula id="e14">
<mml:math id="m79">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(14)</label>
</disp-formula>with the reactant and product mole fractions at the reactor effluent given by <inline-formula id="inf66">
<mml:math id="m80">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf67">
<mml:math id="m81">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively (and using <inline-formula id="inf68">
<mml:math id="m82">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>i</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). <inline-formula id="inf69">
<mml:math id="m83">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the relevant thermolysis reaction equilibrium constant (i.e., <inline-formula id="inf70">
<mml:math id="m84">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf71">
<mml:math id="m85">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> thermolysis) and <inline-formula id="inf72">
<mml:math id="m86">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is the ratio between the molar flow rates of both streams during oxidation <inline-formula id="inf73">
<mml:math id="m87">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>feed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>/</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> with <inline-formula id="inf74">
<mml:math id="m88">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>feed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the total feed molar flow rate which is given by <inline-formula id="inf75">
<mml:math id="m89">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>feed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The equilibrium constant is calculated from <inline-formula id="inf76">
<mml:math id="m90">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>exp</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Substituting the partial pressure equations into <xref ref-type="disp-formula" rid="e14">Equation 14</xref>, assuming that <inline-formula id="inf77">
<mml:math id="m91">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf78">
<mml:math id="m92">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we can calculate the <inline-formula id="inf79">
<mml:math id="m93">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> partial pressure in the oxidizer stream using <xref ref-type="disp-formula" rid="e15">Equation 15</xref>:<disp-formula id="e15">
<mml:math id="m94">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>feed</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(15)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>The <inline-formula id="inf80">
<mml:math id="m95">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> partial pressure of the oxide material is calculated via <xref ref-type="disp-formula" rid="e16">Equation 16</xref>:<disp-formula id="e16">
<mml:math id="m96">
<mml:mrow>
<mml:msubsup>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msubsup>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi>f</mml:mi>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(16)</label>
</disp-formula>considering that this time the oxide is absorbing <inline-formula id="inf81">
<mml:math id="m97">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> molecules from the oxidizer gaseous stream. By solving in the same manner as for the reduction, increasing <inline-formula id="inf82">
<mml:math id="m98">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from 0 to <inline-formula id="inf83">
<mml:math id="m99">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, we can find the maximum <inline-formula id="inf84">
<mml:math id="m100">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exchange during the oxidation step <inline-formula id="inf85">
<mml:math id="m101">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that satisfies the constraints in <xref ref-type="disp-formula" rid="e8">Equation 8</xref>, <xref ref-type="disp-formula" rid="e9">Equation 9</xref>, and <xref ref-type="disp-formula" rid="e10">Equation 10</xref>. Following the analysis of both steps, the maximum extent of re-oxidation (i.e., the lowest <inline-formula id="inf86">
<mml:math id="m102">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> possible during oxidation at the reactor outlet) is calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e17">Equation 17</xref>:<disp-formula id="e17">
<mml:math id="m103">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(17)</label>
</disp-formula>and the extent of reduction can be calculated as shown in <xref ref-type="disp-formula" rid="e18">Equation 18</xref>:<disp-formula id="e18">
<mml:math id="m104">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(18)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>Assuming full selectivity, the conversion of <inline-formula id="inf87">
<mml:math id="m105">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> during water splitting oxidation can be calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e19">Equation 19</xref>:<disp-formula id="e19">
<mml:math id="m106">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod,out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(19)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf88">
<mml:math id="m107">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>prod,out</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the product molar flow rate at the outlet (<inline-formula id="inf89">
<mml:math id="m108">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf90">
<mml:math id="m109">
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) and <inline-formula id="inf91">
<mml:math id="m110">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the reactant molar flow rate into the reactor (<inline-formula id="inf92">
<mml:math id="m111">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf93">
<mml:math id="m112">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Since conversion is limited to unity, the maximum value of <inline-formula id="inf94">
<mml:math id="m113">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> during oxidation is <inline-formula id="inf95">
<mml:math id="m114">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>max</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</sec>
<sec id="s2-3">
<title>2.3 Redox thermodynamic formulation</title>
<p>To allow for a universal analysis of different redox materials, with different defect and vacancy formation mechanisms <xref ref-type="bibr" rid="B54">Zinkevich et al. (2006)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B48">Warren et al. (2022)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B46">Vieten et al. (2019)</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B49">Wexler et al. (2023)</xref>, we define the molar oxygen content fraction in the solid in <xref ref-type="disp-formula" rid="e20">Equation 20</xref> as<disp-formula id="e20">
<mml:math id="m115">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(20)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf96">
<mml:math id="m116">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the moles of O atoms in the solid and <inline-formula id="inf97">
<mml:math id="m117">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> the moles of redox-active material solid. The amount of O atoms released during oxidation is then <inline-formula id="inf98">
<mml:math id="m118">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In such a manner, we can use the same formulation for materials such as ceria and its solid solutions, perovskites, iron aluminates, and others. The relation between <inline-formula id="inf99">
<mml:math id="m119">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf100">
<mml:math id="m120">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is then given per <xref ref-type="disp-formula" rid="e21">Equation 21</xref>:<disp-formula id="e21">
<mml:math id="m121">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#xb1;</mml:mo>
<mml:mn>2</mml:mn>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(21)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf101">
<mml:math id="m122">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>f</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the final state <inline-formula id="inf102">
<mml:math id="m123">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf103">
<mml:math id="m124">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the initial state <inline-formula id="inf104">
<mml:math id="m125">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and the sign dictated by the step, with minus for reduction (O atoms released from the solid) and plus for oxidation (O atoms absorbed by the solid). For materials with an oxygen vacancy mechanism, such as most redox-active materials studied to date (<inline-formula id="inf105">
<mml:math id="m126">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and its solid solutions, perovskites, and most ferrites), the total amount of oxygen exchanged in a cycle is equal in each formulation <inline-formula id="inf106">
<mml:math id="m127">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. More details are provided in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s2-4">
<title>2.4 System performance</title>
<p>The connection between the thermodynamics of a specific redox-active material and its performance in the redox cycle to an actual system is based on a previously developed model <xref ref-type="bibr" rid="B28">Lidor and Bulfin (2024)</xref> and is aligned with other works in the field <xref ref-type="bibr" rid="B11">Bulfin et al. (2021)</xref>. However, one generalization presented here is the clear separation of heat and work requirements. While it is customary to convert the auxiliary work to heat equivalent in the field of solar thermochemistry <xref ref-type="bibr" rid="B11">Bulfin et al. (2021)</xref>, there is increased interest in hybrid CST-PV systems that would be able to provide both heat and power. Moreover, the emerging field of high-temperature electric thermal energy storage (ETES) <xref ref-type="bibr" rid="B32">Ma et al. (2023)</xref> opens up the possibility of using renewable electricity to drive the thermochemical reaction. Hence, we have excluded the energy conversion penalties associated with the energy input source, whether via solar thermal or other sources. Instead, we have calculated the overall thermochemical conversion process efficiency based on the required heat and power per<disp-formula id="e22">
<mml:math id="m128">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fuel</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>HHV</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fuel</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>req</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>req</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(22)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf107">
<mml:math id="m129">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the efficiency, <inline-formula id="inf108">
<mml:math id="m130">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fuel</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the fuel production rate, HHV as the fuel higher heating value (upper limit of a fuel thermal energy, defined as the heat released during combustion assuming condensing of products that are liquid at the initial fuel temperature and pressure), <inline-formula id="inf109">
<mml:math id="m131">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>req</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the required thermal power, and <inline-formula id="inf110">
<mml:math id="m132">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>req</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the required electric power for all necessary unit operations such as pumping and separation. <xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref> can be divided by the flow rate of the redox-active material to be turned into a general form (not tied to a specific size/flow rate):<disp-formula id="e23">
<mml:math id="m133">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>HHV</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>fuel</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>req</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>req</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(23)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf111">
<mml:math id="m134">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the specific amount of fuel produced per mole of redox-active material, <inline-formula id="inf112">
<mml:math id="m135">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>req</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the specific required heat per mole of redox-active material, and <inline-formula id="inf113">
<mml:math id="m136">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>req</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the specific required work per mole of redox-active material. From now on, we will use <xref ref-type="disp-formula" rid="e23">Equation 23</xref> and the specific energy terms in this paper.</p>
<p>The following energy terms are considered in this work:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf116">
<mml:math id="m139">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Sensible heating of the redox-active material between oxidation and reduction temperatures <inline-formula id="inf117">
<mml:math id="m140">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MO,h</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf118">
<mml:math id="m141">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Heating of the inert sweep gas stream <inline-formula id="inf119">
<mml:math id="m142">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sg,h</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf120">
<mml:math id="m143">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Heating of the oxidizer gas stream <inline-formula id="inf121">
<mml:math id="m144">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox,h</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which can consist of both sensible and latent heat (in the case of water splitting). Even though the heat input in <xref ref-type="fig" rid="F2">Figure 2</xref> is presented between the sensible heat recovery and oxidation reactor, for the case of <inline-formula id="inf122">
<mml:math id="m145">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> splitting, the required heat of vaporization to convert water into steam is of course supplied separately from the heat required to raise the steam temperature up to <inline-formula id="inf123">
<mml:math id="m146">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. For convenience we have lumped those into a single, general term, that is calculated accurately based on the oxidizer.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf124">
<mml:math id="m147">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Reduction energy <inline-formula id="inf125">
<mml:math id="m148">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf126">
<mml:math id="m149">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Inert gas separation <inline-formula id="inf127">
<mml:math id="m150">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>sg,sep</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf128">
<mml:math id="m151">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Separation of product and unconverted reactant <inline-formula id="inf129">
<mml:math id="m152">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>p,sep</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf130">
<mml:math id="m153">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Exothermic heat of oxidation <inline-formula id="inf131">
<mml:math id="m154">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This term is not an energy input, but if recovered can be used to supply some of the heat demand at <inline-formula id="inf132">
<mml:math id="m155">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3c;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, or used to provide heat for a power cycle that can cover some of the required work.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<fig id="F2" position="float">
<label>FIGURE 2</label>
<caption>
<p>Process flow diagram for the generic moving oxide redox-based thermochemical system shown for <inline-formula id="inf114">
<mml:math id="m137">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf115">
<mml:math id="m138">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> splitting).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g002.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Flowchart illustrating a chemical process with three main components: Sweep Gas Purification, Reduction Reactor, and Oxidation Reactor. Oxygen enters the Sweep Gas Purification and flows to the Reduction Reactor. Feedstock enters the Product-Reactant Separation and then moves to the Oxidation Reactor. Arrows indicate various chemical and gas flows, including N&#x2082;, O&#x2082;, H&#x2082;O, CO&#x2082;, H&#x2082;, and CO, with products output from the Product-Reactant Separation. Heat exchange is indicated by orange arrows.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>In addition, the effects of heat recovery, both in the gaseous streams (sweep gas and oxidizer gas) and in the solid stream, are evaluated by the implementation of heat recovery effectiveness values <inline-formula id="inf133">
<mml:math id="m156">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>g</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf134">
<mml:math id="m157">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, respectively. This topic has been of great importance due to the large sensible energy needed for temperature-swing operation (<xref ref-type="bibr" rid="B31">Lidor et al., 2023</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B38">Patankar et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B29">Lidor and Zimmermann, 2023</xref>). It is also important for sweep gas operated systems which require large flow rates (<xref ref-type="bibr" rid="B21">Hathaway et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B30">Lidor et al., 2021</xref>). The possibility of recovering the exothermic heat of oxidation <inline-formula id="inf135">
<mml:math id="m158">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is also implemented in the same manner, using a heat recovery effectiveness <inline-formula id="inf136">
<mml:math id="m159">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This heat can be used to meet any heating requirements at temperatures below <inline-formula id="inf137">
<mml:math id="m160">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, such as oxidizer preheating or inert sweep gas heating to <inline-formula id="inf138">
<mml:math id="m161">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This heat can also drive an auxiliary power cycle that can be used to supply some of the required work. Since this model has been developed as a generic tool, capable of modeling a large variety of systems, the amount of usable exothermic heat is calculated assuming general heat recovery effectiveness, as well as heat-to-work efficiency in case this heat can cover all the thermal loads at or below <inline-formula id="inf139">
<mml:math id="m162">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and still has some excess. The full details of calculating each term are presented in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>.</p>
<p>The feedstock conversion extent is given by<disp-formula id="e24">
<mml:math id="m163">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(24)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf140">
<mml:math id="m164">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the unreacted feedstock molar flow rate at the effluent and <inline-formula id="inf141">
<mml:math id="m165">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>reac,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the feedstock molar flow rate into the reactor. Since we perform an analysis normalized by moles of redox-active material, the conversion is calculated in our model from <xref ref-type="disp-formula" rid="e25">Equation 25</xref>:<disp-formula id="e25">
<mml:math id="m166">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(25)</label>
</disp-formula>which is in essence the moles of oxidizer that reacted per moles of redox-active material, over the moles of oxidizer fed into the reactor per moles of redox-active material.</p>
</sec>
<sec id="s2-5">
<title>2.5 Model structure</title>
<p>The model has been developed in MATLAB Version 2023b <xref ref-type="bibr" rid="B44">The MathWorks Inc. (2023)</xref> and is publicly available on a GitHub repository (<ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://github.com/NREL/REDOTHERM">https://github.com/NREL/REDOTHERM</ext-link>), including all the main scripts and required functions. The repository includes thermodynamic functions for several redox-active materials: <inline-formula id="inf142">
<mml:math id="m167">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf143">
<mml:math id="m168">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Ce</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Zr</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (CeZr20), <inline-formula id="inf144">
<mml:math id="m169">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>La</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Ca</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Mn</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Al</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (LCMA6464), <inline-formula id="inf145">
<mml:math id="m170">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>La</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Sr</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MnO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>3</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (LSM40), and <inline-formula id="inf146">
<mml:math id="m171">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Fe</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.33</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>Al</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>0.67</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (Fe33Al67). The thermodynamic data has been collected from (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Bulfin et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Bulfin et al., 2016</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B12">Carrillo and Scheffe, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B48">Warren et al., 2022</xref>), and uses either the provided functions for the reduction enthalpy <inline-formula id="inf147">
<mml:math id="m172">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and reduction entropy <inline-formula id="inf148">
<mml:math id="m173">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B9">Bulfin et al., 2015</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B10">Bulfin et al., 2016</xref>) or uses a curve fitting tool to develop polynomial correlations from the given data (<xref ref-type="bibr" rid="B12">Carrillo and Scheffe, 2019</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B48">Warren et al., 2022</xref>). We note that when using curve fitting methods to calculate the material thermodynamic properties, a certain degree of inaccuracy is expected, especially if the original experimental data is limited in terms of temperature and <inline-formula id="inf149">
<mml:math id="m174">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Extrapolating beyond the range of the material data can be unreliable, and care should be taken in interpreting results from the sensitivity analysis and optimization capabilities described below when conditions extend beyond the limits of the measured material performance.</p>
<p>Thermodynamic properties of the fluids in the system are calculated using the CoolProp package (<xref ref-type="bibr" rid="B6">Bell et al., 2014</xref>) at the relevant process temperature and pressure, and the equilibrium composition of the oxidizer feed is calculated using the Gibbs energy minimization method implemented with <xref ref-type="bibr" rid="B19">Goodwin et al. (2023)</xref>. The oxidizer gas can be selected as either <inline-formula id="inf150">
<mml:math id="m175">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf151">
<mml:math id="m176">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, as the necessary equilibrium constant calculation is performed for the relevant thermolysis reaction, based on the oxidizer feed of each analysis. The model is developed with an interactive input acquisition (via prompts) for the main parameters which are expected to be changed frequently, such as temperatures, and other parameters which are set within the code. There are three main scripts that are to be used when running the model with their respective code logic flowcharts in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3</xref>:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf152">
<mml:math id="m177">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Main code: <italic>Redox_Countercurrent_Thermo_Main.m</italic> - this script is used to solve for a single data point (i.e., one combination of temperatures, pressures, molar flow rate ratios, etc.) and obtain the redox performance in terms of <inline-formula id="inf153">
<mml:math id="m178">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf154">
<mml:math id="m179">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf155">
<mml:math id="m180">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. It can also be used to perform parametric sweeps over combinations of <inline-formula id="inf156">
<mml:math id="m181">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf157">
<mml:math id="m182">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and/or <inline-formula id="inf158">
<mml:math id="m183">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf159">
<mml:math id="m184">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The results can be saved in a file that can be post-processed for cycle performance and plotting via the support script <italic>Redox_Countercurrent_Thermo_Plot_Results.m.</italic> The logic flowchart of this script is presented in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3a</xref>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf160">
<mml:math id="m185">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Optimization code: <italic>Redox_Countercurrent_Thermo_Opt.m</italic> - this script is used to run an optimization analysis, aimed at identifying the operating conditions in terms of <inline-formula id="inf161">
<mml:math id="m186">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf162">
<mml:math id="m187">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf163">
<mml:math id="m188">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf164">
<mml:math id="m189">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> which will yield the highest system efficiency <inline-formula id="inf165">
<mml:math id="m190">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The code does not have any built-in plotting, but will display the results and include optional saving of the data to a MAT file. The logic flowchart of this script is presented in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3b</xref>.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>
<inline-formula id="inf166">
<mml:math id="m191">
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2022;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> Optimization code with parametric sweeps: <italic>Redox_Countercurrent_Thermo_Opt_Para.m</italic> - this script is used to automate multiple optimization analysis runs, facilitating sweeps over different redox-active materials, heat recovery effectiveness values (<inline-formula id="inf167">
<mml:math id="m192">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf168">
<mml:math id="m193">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf169">
<mml:math id="m194">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>g</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>), heat-to-work efficiency <inline-formula id="inf170">
<mml:math id="m195">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>htw</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, oxidizer type, and product separation method (for <inline-formula id="inf171">
<mml:math id="m196">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2013;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The script automatically saves each run with a set of parameters to a MAT file. No plotting or results display capabilities are currently included; however, a simple plotting script <italic>Plot_multiple_opt_results.m</italic> used in generating plots for this paper is provided in the repository and can easily be extended for different types of data analysis. The logic flowchart of this script is presented in <xref ref-type="fig" rid="F3">Figure 3c</xref>.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<fig id="F3" position="float">
<label>FIGURE 3</label>
<caption>
<p>Code logic flowcharts for the three main scripts: <bold>(a)</bold> main code for single runs and parametric sweeps; <bold>(b)</bold> optimization code for a single run; and <bold>(c)</bold> optimization code for running multiple cases.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g003.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Flowcharts for three MATLAB scripts related to countercurrent thermochemical processes. a. The first flowchart for &#x22;Redox_Countercurrent_Thermo_Main.m&#x22; shows steps for choosing parameters, performing parametric sweeps, and saving results.b. The second flowchart for &#x22;Redox_Countercurrent_Thermo_Opt.m&#x22; focuses on optimization for system efficiency, including setting boundaries and default parameters.c. The third flowchart for &#x22;Redox_Countercurrent_Thermo_Opt_Para.m&#x22; details parameter optimization, starting with boundary selection, input values, and checking the completion of simulations. Each step involves decision points for saving figures and results.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>The reactor pressures during reduction <inline-formula id="inf172">
<mml:math id="m197">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and oxidation <inline-formula id="inf173">
<mml:math id="m198">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are passed to the optimization problem as decision variables, but are currently fixed via constraints/bounds (depending on the optimizer used). The motivation behind this is two-fold: (1) to allow the analysis of hybrid vacuum-sweep gas systems, which requires both inert sweep gas separation as well as vacuum pumping work terms; (2) to allow future inclusion of any downstream pumping requirements, which in turn might promote the use of high pressure oxidation due to the benefits of pumping water, and obtaining high-pressure <inline-formula id="inf174">
<mml:math id="m199">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for storage or downstream processes such as Fischer-Tropsch.</p>
<p>Cryogenic separation was selected for inert gas separation. Pressure swing adsorption (PSA) was implemented for product separation for <inline-formula id="inf175">
<mml:math id="m200">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, while <inline-formula id="inf176">
<mml:math id="m201">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> splitting includes options for conventional condensation and evaporation of the make-up feed and condensed water, as well as a mechanical vapor recompression (MVR) cycle separation which can recover the latent heat (based on <xref ref-type="bibr" rid="B27">Lidor, 2024</xref>).</p>
<p>All the different options for the REDOTHERM code are provided in <xref ref-type="table" rid="T1">Table 1</xref>. The full details of the calculation methods for each term are given in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>.</p>
<table-wrap id="T1" position="float">
<label>TABLE 1</label>
<caption>
<p>Overview of the different options of the REDOTHERM code.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">System parameter</th>
<th align="left">Options</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="center">Redox-active material</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf177">
<mml:math id="m202">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, CeZr20, LCMA6464, LSM40, Fe33Al67</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Oxidizer type</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf178">
<mml:math id="m203">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf179">
<mml:math id="m204">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf180">
<mml:math id="m205">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2013;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation method</td>
<td align="center">Condensation, mechanical vapor recompression</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">
<inline-formula id="inf181">
<mml:math id="m206">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2013;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation method</td>
<td align="center">Pressure swing adsorption</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Heat recovery options</td>
<td align="center">Sensible solid, sensible gas, oxidation heat</td>
</tr>
<tr>
<td align="center">Decision variables for parametric sweeps/optimization<xref ref-type="table-fn" rid="Tfn1">
<sup>a</sup>
</xref>
</td>
<td align="center">
<inline-formula id="inf182">
<mml:math id="m207">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf183">
<mml:math id="m208">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf184">
<mml:math id="m209">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf185">
<mml:math id="m210">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf186">
<mml:math id="m211">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf187">
<mml:math id="m212">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
<table-wrap-foot>
<fn id="Tfn1">
<label>
<sup>a</sup>
</label>
<p>
<inline-formula id="inf188">
<mml:math id="m213">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf189">
<mml:math id="m214">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are passed as decision variables but currently constrained to be equal to a single value.</p>
</fn>
</table-wrap-foot>
</table-wrap>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="results" id="s3">
<title>3 Results</title>
<p>The basic capability of the model in predicting the redox performance of a water-splitting cycle is demonstrated for the case of <inline-formula id="inf190">
<mml:math id="m215">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="F4">Figure 4a</xref> the maximum <inline-formula id="inf191">
<mml:math id="m216">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exchange is presented for reduction at <inline-formula id="inf192">
<mml:math id="m217">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 1,550 &#xb0;C using an inert sweep gas with <inline-formula id="inf193">
<mml:math id="m218">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction <inline-formula id="inf194">
<mml:math id="m219">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and molar flow rate ratio <inline-formula id="inf195">
<mml:math id="m220">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for both PF and CF configurations. As expected, the maximum <inline-formula id="inf196">
<mml:math id="m221">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exchange <inline-formula id="inf197">
<mml:math id="m222">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is larger for CF than for PF, with the resulting <inline-formula id="inf198">
<mml:math id="m223">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of 0.032 and 0.0203 and <inline-formula id="inf199">
<mml:math id="m224">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (identical to <inline-formula id="inf200">
<mml:math id="m225">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the case of <inline-formula id="inf201">
<mml:math id="m226">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) of 0.0286 and 0.0176, respectively. While the values slightly differ from those presented in (<xref ref-type="bibr" rid="B8">Bulfin, 2019</xref>) for an identical case, the source of the difference has been identified as the selection of a different function for the redox thermodynamics of <inline-formula id="inf202">
<mml:math id="m227">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. We compare four different correlations for <inline-formula id="inf203">
<mml:math id="m228">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf204">
<mml:math id="m229">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>: (1) a general calculation of <inline-formula id="inf205">
<mml:math id="m230">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> based on equilibrium thermodynamics (see <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>) combined with piecewise fitting of the Panlener <inline-formula id="inf206">
<mml:math id="m231">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>h</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf207">
<mml:math id="m232">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>s</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mfenced open="(" close=")">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> data (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Panlener et al., 1975</xref>) which has been implemented in this work; (2) a defect model derived using statistical physics from (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Bulfin et al., 2016</xref>); (3) a constant <inline-formula id="inf208">
<mml:math id="m233">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>H</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> model used in (<xref ref-type="bibr" rid="B10">Bulfin et al., 2016</xref>); and (4) a correlation by (<xref ref-type="bibr" rid="B3">Ackermann et al., 2017</xref>) extracted from the data of (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Panlener et al., 1975</xref>). As a reference, we also provide the raw data from (<xref ref-type="bibr" rid="B37">Panlener et al., 1975</xref>). The results of this comparison are presented in <xref ref-type="fig" rid="F5">Figure 5</xref>. It is clear that in the region of <inline-formula id="inf209">
<mml:math id="m234">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0.05</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is the most relevant for our application, there are minor differences between these models and these differences significantly increase for some models when <inline-formula id="inf210">
<mml:math id="m235">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0.05</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. These differences cause the deviation in the prediction of the <inline-formula id="inf211">
<mml:math id="m236">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exchange. This also emphasizes the importance of accurate thermodynamic properties modeling and data (<xref ref-type="bibr" rid="B50">Wilson et al., 2024</xref>) over a wide range of compositions as well as extraction from experimental results (<xref ref-type="bibr" rid="B24">Lany, 2024</xref>).</p>
<fig id="F4" position="float">
<label>FIGURE 4</label>
<caption>
<p>The <inline-formula id="inf212">
<mml:math id="m237">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> partial pressure <inline-formula id="inf213">
<mml:math id="m238">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as a function of the exchange coordinate <inline-formula id="inf214">
<mml:math id="m239">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the PF and CF cases with <inline-formula id="inf215">
<mml:math id="m240">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>: <bold>(a)</bold> reduction at <inline-formula id="inf216">
<mml:math id="m241">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1550</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf217">
<mml:math id="m242">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf218">
<mml:math id="m243">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; and <bold>(b)</bold> oxidation with <inline-formula id="inf219">
<mml:math id="m244">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at <inline-formula id="inf220">
<mml:math id="m245">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>900</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf221">
<mml:math id="m246">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf222">
<mml:math id="m247">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.8</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (equilibrium <inline-formula id="inf223">
<mml:math id="m248">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction at inlet conditions).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g004.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs labeled 'a' and 'b' compare partial oxygen pressure (\( p_{\text{O}_2} \), Pa) against variable \(\kappa\). In 'a', solid, dashed, and dotted lines represent CeO\(_2\), Gas (PF), and Gas (CF). In 'b', these lines represent different setups of CeO\(_2\) (PF, CF) and Gas (PF, CF). Both graphs use logarithmic scales and exhibit distinct curves for each line type.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<fig id="F5" position="float">
<label>FIGURE 5</label>
<caption>
<p>Comparison of the oxygen partial pressure <inline-formula id="inf224">
<mml:math id="m249">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> of <inline-formula id="inf225">
<mml:math id="m250">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> based on four different correlations: (1) general equilibrium thermodynamics using piece-wise fit of the data from <xref ref-type="bibr" rid="B37">Panlener et al. (1975)</xref> (2) defect model from <xref ref-type="bibr" rid="B10">Bulfin et al. (2016)</xref> with reduction enthalpy as a function of <inline-formula id="inf226">
<mml:math id="m251">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>; (3) defect model from <xref ref-type="bibr" rid="B10">Bulfin et al. (2016)</xref> with constant reduction enthalpy; and (4) correlation of the data from <xref ref-type="bibr" rid="B37">Panlener et al. (1975)</xref> from <xref ref-type="bibr" rid="B3">Ackermann et al. (2017)</xref>. The circles denote original data from <xref ref-type="bibr" rid="B37">Panlener et al. (1975)</xref>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g005.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graph showing the relationship between oxygen partial pressure (bar) and delta (&#x3B4;) across various temperatures ranging from 1200 &#xB0;C to 1600 &#xB0;C. Different lines represent models from Panlener et al., Bulfin et al., and Ackermann et al., with Panlener et al. data depicted as circles. The y-axis is logarithmic, spanning from 10 to 10^-10.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<sec id="s3-1">
<title>3.1 Parametric sweep capability</title>
<p>The parametric sweeps that are implemented in the main code (<italic>Redox_Countercurrent_Thermo_Main.m</italic>) are useful in investigating the effects of different operation and design parameters on all the different energy terms of the system as well as on its performance indicators. We present as an example the results of a parametric sweep over the molar flow rate ratios <inline-formula id="inf227">
<mml:math id="m252">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf228">
<mml:math id="m253">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf229">
<mml:math id="m254">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a case of <inline-formula id="inf230">
<mml:math id="m255">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> splitting. The temperatures are set at <inline-formula id="inf231">
<mml:math id="m256">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1550</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C and <inline-formula id="inf232">
<mml:math id="m257">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>900</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C. The inert sweep gas purity is <inline-formula id="inf233">
<mml:math id="m258">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and equilibrium <inline-formula id="inf234">
<mml:math id="m259">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction at inlet conditions is assumed <inline-formula id="inf235">
<mml:math id="m260">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.8</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The <inline-formula id="inf236">
<mml:math id="m261">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2013;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation method selected is MVR, and while the code analyzes the performance of both PF-PF and CF-CF configurations, we are presenting here only the CF-CF case for brevity. The trade-off between obtaining a higher <inline-formula id="inf237">
<mml:math id="m262">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at the expense of conversion using higher gas molar flow rates (i.e., higher <inline-formula id="inf238">
<mml:math id="m263">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf239">
<mml:math id="m264">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) is clearly demonstrated in <xref ref-type="fig" rid="F6">Figure 6</xref>. The regions which exhibit a value of <inline-formula id="inf240">
<mml:math id="m265">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which has been referred to in different studies (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Bayon et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Lidor and Bulfin, 2024</xref>) as the minimum viable conversion extent, barely overlaps with the areas of high <inline-formula id="inf241">
<mml:math id="m266">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Of course, this set of plots do not reveal the complete picture: having a <inline-formula id="inf242">
<mml:math id="m267">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that is too low would reduce the efficiency since a small amount of fuel is produced.</p>
<fig id="F6" position="float">
<label>FIGURE 6</label>
<caption>
<p>The reduction extent <inline-formula id="inf243">
<mml:math id="m268">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(a)</bold> and conversion extent <inline-formula id="inf244">
<mml:math id="m269">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> <bold>(b)</bold> for CF case with <inline-formula id="inf245">
<mml:math id="m270">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf246">
<mml:math id="m271">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1550</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf247">
<mml:math id="m272">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>900</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf248">
<mml:math id="m273">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf249">
<mml:math id="m274">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.8</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (equilibrium <inline-formula id="inf250">
<mml:math id="m275">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction at inlet conditions).</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g006.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two contour plots labeled &#x22;a&#x22; and &#x22;b&#x22; with color gradients from blue to red, indicating varying values of \(\Delta \delta\). Both plots have axes labeled \(\omega_{ox}\) and \(\omega_{red}\) on log scales. Plot &#x22;a&#x22; shows contour lines ranging from 0.01 to 0.06. Plot &#x22;b&#x22; displays contour lines from 0.1 to 0.7. A color scale on the right provides reference for values.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>We also calculate the system efficiency for these parametric sweep cases. The values used for the various heat recovery unit operations are <inline-formula id="inf251">
<mml:math id="m276">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf252">
<mml:math id="m277">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>g</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf253">
<mml:math id="m278">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The rest of the terms used in the calculation of the system efficiency, including specific energy and efficiency terms for some of the auxiliary units, are provided in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>. The results of the cycle efficiency analysis are presented in <xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7</xref> for the same sample case, using two types of product separation, conventional steam condensation (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7a</xref>) and MVR-based separation (<xref ref-type="fig" rid="F7">Figure 7b</xref>). A maximum efficiency of 11.2% and 13.93% is identified for condensation and MVR-based system, respectively. We note the low values compared to other predicted values from the literature. This is due to the following reasons: (a) we do not attempt to optimize the system in this example, except for the two parameters swept (<inline-formula id="inf254">
<mml:math id="m279">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf255">
<mml:math id="m280">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>); (b) some of our system parameter assumptions, such as heat recovery effectiveness, are more modest than other studies; (c) our analysis includes the correct thermodynamics limits, which are not implemented in most studies; and (d) we have accounted for the separation and steam generation energy terms, which are often neglected.</p>
<fig id="F7" position="float">
<label>FIGURE 7</label>
<caption>
<p>The cycle efficiency for CF case with <inline-formula id="inf256">
<mml:math id="m281">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for <inline-formula id="inf257">
<mml:math id="m282">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1550</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf258">
<mml:math id="m283">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>900</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf259">
<mml:math id="m284">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf260">
<mml:math id="m285">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>4.8</mml:mn>
<mml:mo>&#x22c5;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>6</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (equilibrium <inline-formula id="inf261">
<mml:math id="m286">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction at inlet conditions). <inline-formula id="inf262">
<mml:math id="m287">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>&#x2013;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation method: <bold>(a)</bold> condensing the effluent after sensible heat recovery; <bold>(b)</bold> using MVR-based separation cycle to recover the latent heat.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g007.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Contour plots labeled &#x22;CF&#x22; showing color gradients from blue to red representing values from 0.01 to 0.12. The x-axis is labeled &#x22;&#x3C9;_red&#x22; and the y-axis &#x22;&#x3C9;_ox&#x22; on a logarithmic scale from 10^-2 to 10^2. Plot a has peak values around 0.11, and Plot b peaks around 0.12. Contour lines indicate levels of &#x3B7; (HR).</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>By examining the rest of the performance maps for the different energy fraction terms (sensible heating, etc.), one can obtain important insights into the specific thermochemical hydrogen (TCH) process that is evaluated, both from material and system perspective. The plots for this analysis are provided in the <xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>.</p>
</sec>
<sec id="s3-2">
<title>3.2 Optimization capability</title>
<p>The optimization capability of the REDOTHERM code includes a single case optimization, as well as optimization for multiple cases, in which the model sweeps over a range of values for the different system parameters, such as redox-active material type, heat recovery effectiveness, and so forth. A sample usage is given here, demonstrating how it can be used to compare different redox-active materials, under the same operating conditions and boundaries. The input parameters, as well as the ranges of the decision variables, are given in <xref ref-type="table" rid="T2">Table 2</xref>. The optimization problem is solved using a direct search method (<italic>patternsearch</italic> in MATLAB) with the Nonuniform Pattern Search (NUPS) algorithm.</p>
<table-wrap id="T2" position="float">
<label>TABLE 2</label>
<caption>
<p>Input parameters and ranges for decision variables for the REDOTHERM optimization analysis.</p>
</caption>
<table>
<thead valign="top">
<tr>
<th align="left">System parameter</th>
<th align="left">Options</th>
</tr>
</thead>
<tbody valign="top">
<tr>
<td align="left">Redox-active material</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf263">
<mml:math id="m288">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, CeZr20, LCMA6464, LSM40, Fe33Al67</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Oxidizer type</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf264">
<mml:math id="m289">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">
<inline-formula id="inf265">
<mml:math id="m290">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mtext>&#x2013;&#x2009;</mml:mtext>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation method</td>
<td align="left">Condensation, MVR</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Solid heat recovery effectiveness <inline-formula id="inf266">
<mml:math id="m291">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0, 0.25, 0.5, 0.75, 1</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Gas heat recovery effectiveness <inline-formula id="inf267">
<mml:math id="m292">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>g</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0.8</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Oxidation heat recovery effectiveness <inline-formula id="inf268">
<mml:math id="m293">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0.4, 0.8</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Thermal losses fraction <inline-formula id="inf269">
<mml:math id="m294">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th,loss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Inert sweep gas purity <inline-formula id="inf270">
<mml:math id="m295">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf271">
<mml:math id="m296">
<mml:mrow>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Oxidizer purity <inline-formula id="inf272">
<mml:math id="m297">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">0.99999</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Reduction pressure <inline-formula id="inf273">
<mml:math id="m298">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1&#x2009;bar</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Oxidation pressure <inline-formula id="inf274">
<mml:math id="m299">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">1&#x2009;bar</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Reduction temperature <inline-formula id="inf275">
<mml:math id="m300">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf276">
<mml:math id="m301">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>1400</mml:mn>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1700</mml:mn>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Oxidation temperature <inline-formula id="inf277">
<mml:math id="m302">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf278">
<mml:math id="m303">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>600</mml:mn>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1200</mml:mn>
<mml:mtext> </mml:mtext>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
<mml:mtext>C</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Sweep gas to oxide molar flow rate ratio <inline-formula id="inf279">
<mml:math id="m304">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf280">
<mml:math id="m305">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1000</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
<tr>
<td align="left">Oxidizer to oxide molar flow rate ratio <inline-formula id="inf281">
<mml:math id="m306">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
<td align="left">
<inline-formula id="inf282">
<mml:math id="m307">
<mml:mrow>
<mml:mfenced open="[" close="]">
<mml:mrow>
<mml:mn>0.001</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mn>1000</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:mfenced>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</td>
</tr>
</tbody>
</table>
</table-wrap>
<p>Five values for <inline-formula id="inf283">
<mml:math id="m308">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> from 0 to 1 were included, examining all cases under both extremes, with no solid heat recovery up to an ideal (and nonphysical) full solid heat recovery. The analysis is performed for water splitting cycles and includes both condensation with reboiling and MVR as the product separation options. The analysis is demonstrated for atmospheric reduction (with sweep gas) and oxidation; however, the option to perform either step at different pressures is included as well. Performing the oxidation at elevated pressures can benefit from increased <inline-formula id="inf284">
<mml:math id="m309">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in the oxidizer stream, which can increase the extent of re-oxidation (<xref ref-type="bibr" rid="B45">Tran et al., 2023</xref>). However, the major improvement is achieved from obtaining the produced <inline-formula id="inf285">
<mml:math id="m310">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> at pressure, thus saving on the costly compression that is needed for any produced hydrogen. Lastly, we assume no thermal losses from the reactor <inline-formula id="inf286">
<mml:math id="m311">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>f</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>th,loss</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, since this analysis is performed for a generic moving oxide system without a specific reactor design.</p>
<p>The summary of the results from the optimization run is presented in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>. We focus on a baseline case with <inline-formula id="inf287">
<mml:math id="m312">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, an extreme case of no solid heat recovery <inline-formula id="inf288">
<mml:math id="m313">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and an ideal full solid heat recovery <inline-formula id="inf289">
<mml:math id="m314">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In all of those cases the oxidation heat recovery was taken as <inline-formula id="inf290">
<mml:math id="m315">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Note that the optimization in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref> considers a wide range of reduction and oxidation temperature conditions, and extends beyond the range of available oxide material thermodynamic data in some cases. We present these results to demonstrate the capabilities of the model, but caution that results from the optimization should ideally be combined with sensitivity analyses to understand the behavior in the vicinity of the optimum and to verify that the material thermodynamic performance is reasonable within this region of the parameter space.</p>
<fig id="F8" position="float">
<label>FIGURE 8</label>
<caption>
<p>Comparison of the system efficiency, oxidizer conversion extent, temperature swing, and oxidizer to metal oxide flow rates ratio for different redox materials, using both condensation with reboiling and MVR as the <inline-formula id="inf291">
<mml:math id="m316">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-<inline-formula id="inf292">
<mml:math id="m317">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation methods. All values are for the optimal solution (optimized for <inline-formula id="inf293">
<mml:math id="m318">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). <bold>(a)</bold> Baseline case: &#x3b7;, X. <bold>(b)</bold> Baseline case: &#x394;T, &#x3c9;<sub>ox</sub>. <bold>(c)</bold> No solid HR case: &#x3b7;, X. <bold>(d)</bold> No solid HR case: &#x394;T, &#x3c9;<sub>ox</sub>. <bold>(e)</bold> Full solid HR case: &#x3b7;, X. <bold>(f)</bold> Full solid HR case: &#x394;T, &#x3c9;<sub>ox</sub>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g008.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Six bar graphs comparing different parameters for materials CeO2, CeZr20, LCM, and LSM40. Each graph has two or more colored bars representing conditions such as thermal efficiency, oxidizer conversion, and more, as detailed in the legend. Graphs (a) and (c) focus on system efficiency and oxidizer conversion, while (b) and (d) show temperature swing and oxidizer flow ratio. Graphs (e) and (f) are similar to (a) and (b) but with altered scales or data.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8a</xref> we can see that the efficiency of <inline-formula id="inf294">
<mml:math id="m319">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is higher than all other materials. When considering the reduction enthalpy of the different materials, a clear trend is observed that materials with higher values of the enthalpy of oxygen vacancy formation exhibit higher efficiency values. As expected, the reduction temperature in all the optimal solutions converged to the upper bound (1700 &#xb0;C), with less than 10 &#xb0;C below this limit in all 80 solutions. This trend is identical to the results reported in (<xref ref-type="bibr" rid="B25">Li et al., 2018a</xref>). It implies the model can be modified to provide <inline-formula id="inf295">
<mml:math id="m320">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as an input, thus removing one decision variable from the optimization space, potentially lowering the required computational load. However, the temperature swing varied as can be seen from <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8b</xref>, with most materials converging to an optimal solution with <inline-formula id="inf296">
<mml:math id="m321">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>800</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C while LCMA6464 benefitting from a large value of <inline-formula id="inf297">
<mml:math id="m322">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When examining <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8f</xref>, one would expect that all materials will converge to the maximum <inline-formula id="inf298">
<mml:math id="m323">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> possible since having a temperature swing does not require any sensible heating when <inline-formula id="inf299">
<mml:math id="m324">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, we see that only <inline-formula id="inf300">
<mml:math id="m325">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> exhibits the largest <inline-formula id="inf301">
<mml:math id="m326">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> possible. While not included here for brevity, our hypothesis why materials with lower reduction enthalpies, that would benefit from a larger temperature swing, are limited in their <inline-formula id="inf302">
<mml:math id="m327">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is due to the high requirements of sensible heating of the oxidizer stream, that still has a value of <inline-formula id="inf303">
<mml:math id="m328">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>g</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. This type of investigation, deeply examining all the intricate effects of the different system components and their effects on the performance for different redox materials, is what we envision REDOTHERM most suitable for. Another important finding is that <inline-formula id="inf304">
<mml:math id="m329">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and CeZr20 are the only materials that have a value of <inline-formula id="inf305">
<mml:math id="m330">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> below 1; all other materials require excessive amounts of steam for re-oxidation, with up to <inline-formula id="inf306">
<mml:math id="m331">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>14</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. While known in the literature (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Bayon et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Lidor and Bulfin, 2024</xref>), this side-by-side comparison highlights the importance of examining all operating parameters and design considerations when comparing different redox-active materials.</p>
<p>Examining a specific subset of results, we present in <xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9</xref> the specific energy terms for each of the evaluated redox-active materials for the base case optimized solution (i.e., <inline-formula id="inf307">
<mml:math id="m332">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf308">
<mml:math id="m333">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). The energy terms are normalized by the amount of produced <inline-formula id="inf309">
<mml:math id="m334">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. When examining the case of using condensation as the <inline-formula id="inf310">
<mml:math id="m335">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-<inline-formula id="inf311">
<mml:math id="m336">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation method (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9a</xref>), it can be seen that for <inline-formula id="inf312">
<mml:math id="m337">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and CeZr20 the specific reduction energy and specific sensible MO required heating are the dominant factors (with <inline-formula id="inf313">
<mml:math id="m338">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the only case when the specific reduction energy is the largest term), while for the other materials the required heat for steam generation is dominant (the required product separation work is zero, since the load is only thermal). This supports the findings presented in <xref ref-type="fig" rid="F8">Figure 8</xref>, with an inverse correlation between the ease of reduction (via the reduction enthalpy) and the performance. For the case of using MVR separation (<xref ref-type="fig" rid="F9">Figure 9b</xref>) the value of the required sensible MO heat is the dominant factor across all the materials, except <inline-formula id="inf314">
<mml:math id="m339">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> in which it is the second largest term, following the specific reduction energy (identical to the condensation case for <inline-formula id="inf315">
<mml:math id="m340">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>).</p>
<fig id="F9" position="float">
<label>FIGURE 9</label>
<caption>
<p>Energy terms for different redox-active materials normalized per mole of produced <inline-formula id="inf316">
<mml:math id="m341">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. <bold>(a)</bold> <inline-formula id="inf317">
<mml:math id="m342">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-<inline-formula id="inf318">
<mml:math id="m343">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation using condensation, and <bold>(b)</bold> <inline-formula id="inf319">
<mml:math id="m344">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>-<inline-formula id="inf320">
<mml:math id="m345">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> separation using MVR. All values are for the optimized solution using base case parameters: <inline-formula id="inf321">
<mml:math id="m346">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>s</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.5</mml:mn>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.8</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g009.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Bar graphs showing energy per produced hydrogen in kilojoules per mole for four materials: CeO2, CeZr2O, LCM, and LSM40. Graph (a) on the left spans an energy range from 10^1 to 10^4, while graph (b) on the right ranges from 10^1 to 10^3. Variables include \(w_{ox,sep}\), \(q_{ox,h}\), \(w_{sg,sep}\), \(q_{sg,h}\), \(q_{MQ,h}\), \(q_{red}\), and \(q_{ox}\), each represented by different colors.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>The example cases shown in this section provide a brief overview of the capabilities of REDOTHERM. Extending upon them for new redox-active materials, both real and hypothetical, as well as adding more technology options for the auxiliary operations, is relatively straightforward and could support the field in the search for efficient and scalable designs.</p>
</sec>
<sec id="s3-3">
<title>3.3 Example of usage</title>
<p>In this subsection, we demonstrate the use of the REDOTHERM repository in a few types of analysis that can benefit different research activities within the TCH and chemical looping redox fields.</p>
<sec id="s3-3-1">
<title>3.3.1 Productivity compared to efficiency and conversion</title>
<p>Many papers that deal with the discovery and characterization of TCH materials use the productivity (or yield) as the benchmarking performance indicator, defined as the amount of generated gaseous product (<inline-formula id="inf322">
<mml:math id="m347">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the reduction step and <inline-formula id="inf323">
<mml:math id="m348">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf324">
<mml:math id="m349">
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for the oxidation step) over the mass of the oxide sample, usually given in &#x3bc;mol&#x2009;g<sup>&#x2212;1</sup> (<xref ref-type="bibr" rid="B20">Hao et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B51">Yang et al., 2014</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B48">Warren et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">McCord et al., 2024</xref>). While useful for comparing different redox-active materials under identical conditions, this performance indicator is insufficient by itself to properly inform on the potential of a redox-active material and its comparison to other materials, especially under industrially-relevant process conditions. Most redox-active material characterization is performed using a thermogravimetric analyzer (TGA) or stagnation flow reactor (SFR), under conditions which supply a large excess of an inert gas during reduction and a large excess of oxidizer gas (at a controlled partial pressure) during oxidation. Hence, the obtained productivity should be treated as an ideal upper limit, since providing inert sweep gas or oxidizer in large excess can have a significant negative effect on the overall system efficiency (<xref ref-type="disp-formula" rid="e22">Equation 22</xref>) and conversion (<xref ref-type="disp-formula" rid="e24">Equation 24</xref>).</p>
<p>In <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10</xref> we present the productivity and conversion extent for <inline-formula id="inf325">
<mml:math id="m350">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> undergoing a water splitting redox cycle as a function of the oxidizer to redox-active material molar flow rates ratio <inline-formula id="inf326">
<mml:math id="m351">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. In <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10a</xref> the results are presented for a case in which the reduction was performed under <inline-formula id="inf327">
<mml:math id="m352">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, simulating a case of industrially-relevant conditions, avoiding extreme excess of inert sweep gas which would require extremely large separation energy. It can be seen that under these conditions, even when supplying excess oxidizer at high purities, the productivity is lower than reported for <inline-formula id="inf328">
<mml:math id="m353">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> (<xref ref-type="bibr" rid="B48">Warren et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B34">McCord et al., 2024</xref>). More importantly is the clear trade-off that is exhibited between productivity and conversion extent; values of <inline-formula id="inf329">
<mml:math id="m354">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> are not possible for <inline-formula id="inf330">
<mml:math id="m355">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3e;</mml:mo>
<mml:mn>0.2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The importance of the conversion extent and the need to reach a minimal realistic value is discussed elsewhere (<xref ref-type="bibr" rid="B5">Bayon et al., 2022</xref>; <xref ref-type="bibr" rid="B28">Lidor and Bulfin, 2024</xref>). For comparison, <xref ref-type="fig" rid="F10">Figure 10b</xref> presents the productivity and conversion extent as a function of <inline-formula id="inf331">
<mml:math id="m356">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> for a case in which the reduction was performed with a great excess of inert sweep gas <inline-formula id="inf332">
<mml:math id="m357">
<mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">(</mml:mo>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mo stretchy="false">)</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. As expected, the productivity increases significantly, by about a factor of 3-4 under similar values of <inline-formula id="inf333">
<mml:math id="m358">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. However, achieving <inline-formula id="inf334">
<mml:math id="m359">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
<mml:mo>&#x2265;</mml:mo>
<mml:mn>0.1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is only possible for <inline-formula id="inf335">
<mml:math id="m360">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2264;</mml:mo>
<mml:mn>0.4</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, which is not a significant improvement compared to the case with lower excess sweep gas. We note the small artifacts occurring for the CF case when <inline-formula id="inf336">
<mml:math id="m361">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> approaches 0.001 - these are a result of numerical instabilities, which would require refining the steps of <inline-formula id="inf337">
<mml:math id="m362">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> to resolve, significantly increasing the computational time. This analysis shows the limitations of using productivity as the sole performance indicator that guides material discovery. Since productivity is missing kinetic effects (cycle duration) and is often not evaluated under industrially-relevant conditions (gas to oxide flow rate ratios), materials that exhibit high productivity might actually underperform compared to materials which seem less promising based on this sole criteria.</p>
<fig id="F10" position="float">
<label>FIGURE 10</label>
<caption>
<p>Productivity (solid lines) and conversion extent (dashed lines) as a function of the ratio of the oxidizer molar flow rate to the redox-active material molar flow rate for <inline-formula id="inf338">
<mml:math id="m363">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> undergoing a water splitting cycle. <bold>(a)</bold> Oxidation step following reduction with <inline-formula id="inf339">
<mml:math id="m364">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <bold>(b)</bold> oxidation step following reduction with <inline-formula id="inf340">
<mml:math id="m365">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>100</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. Parameters used are <inline-formula id="inf341">
<mml:math id="m366">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1550</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf342">
<mml:math id="m367">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>900</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf343">
<mml:math id="m368">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf344">
<mml:math id="m369">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>0.99999</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g010.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Two graphs labeled &#x22;a&#x22; and &#x22;b&#x22; compare productivity and conversion rates. Both graphs plot productivity in micromoles of hydrogen per gram of material against frequency (&#x3C9;ox) on a logarithmic scale. The left graph (&#x201C;a&#x201D;) shows red (CF) and black (PF) curves diverging as frequency increases. The right graph (&#x201C;b&#x201D;) displays similar trends with higher productivity values. Arrows indicate curve directions. Labels show conditions: CeO2, T_red 1823.15 K, T_ox 1173.15 K. Legends identify lines: CF in red, PF in black.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>In the same manner, REDOTHERM can be used to quickly evaluate the effects of the oxidizer purity on the redox performance. While in theory a feed of pure steam (or <inline-formula id="inf345">
<mml:math id="m370">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>) is preferred, the relatively limited conversion of the oxidation reaction necessitates the recycling of the unreacted oxidizer gas, after separation from the product (<inline-formula id="inf346">
<mml:math id="m371">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> or <inline-formula id="inf347">
<mml:math id="m372">
<mml:mrow>
<mml:mtext>CO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>). Depending on the separation technology, some trace product will be left in the oxidizer stream. The effects of this recycled product on the oxidizer conversion extent are presented in <xref ref-type="fig" rid="F11">Figure 11</xref>. The analysis is performed for our base case scenario with <inline-formula id="inf348">
<mml:math id="m373">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1550</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf349">
<mml:math id="m374">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>900</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf350">
<mml:math id="m375">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> bar, <inline-formula id="inf351">
<mml:math id="m376">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> bar, <inline-formula id="inf352">
<mml:math id="m377">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf353">
<mml:math id="m378">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf354">
<mml:math id="m379">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
<fig id="F11" position="float">
<label>FIGURE 11</label>
<caption>
<p>The effect of the oxidizer purity on the conversion extent for water splitting with <inline-formula id="inf355">
<mml:math id="m380">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and CeZr20 materials for the base case with: <inline-formula id="inf356">
<mml:math id="m381">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1550</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#xb0;C, <inline-formula id="inf357">
<mml:math id="m382">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> &#x3d; 900 &#xb0;C, <inline-formula id="inf358">
<mml:math id="m383">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> bar, <inline-formula id="inf359">
<mml:math id="m384">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> bar, <inline-formula id="inf360">
<mml:math id="m385">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>red</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, <inline-formula id="inf361">
<mml:math id="m386">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, and <inline-formula id="inf362">
<mml:math id="m387">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>,</mml:mo>
<mml:mtext>in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
<mml:msup>
<mml:mrow>
<mml:mn>0</mml:mn>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mo>&#x2212;</mml:mo>
<mml:mn>5</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msup>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>.</p>
</caption>
<graphic xlink:href="fenrg-13-1665986-g011.tif">
<alt-text content-type="machine-generated">Graph showing steam conversion extent versus steam purity (H2O mole fraction) for different materials and conditions. Four lines represent CeO2 (PF), CeZr20 (PF), CeO2 (CF), and CeZr20 (CF), indicating varying trends in conversion extent as steam purity increases.</alt-text>
</graphic>
</fig>
<p>From these results, we can see that <inline-formula id="inf363">
<mml:math id="m388">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>CeO</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is insensitive to higher impurities, and exhibits almost constant conversion, while CeZr20 shows some decrease in the conversion as the purity drops. It is expected that other materials with lower reduction enthalpies will exhibit even larger sensitivities to oxidizer gas impurities. This type of analysis can be used to determine realistic purity requirements for different redox-active materials.</p>
</sec>
<sec id="s3-3-2">
<title>3.3.2 Implementation for system and technoeconomic analysis of a specific case study</title>
<p>While all the performance indicators and results calculated by REDOTHERM are either dimensionless or specific values (per mole of redox-active material), the conversion to explicit values for a specific case study is straightforward. The use of REDOTHERM to size up a process for a given <inline-formula id="inf364">
<mml:math id="m389">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> production capacity <inline-formula id="inf365">
<mml:math id="m390">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>m</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> starts by converting the production capacity (usually in t&#x2009;d<sup>&#x2212;1</sup>) to a molar production capacity <inline-formula id="inf366">
<mml:math id="m391">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>. The required steam molar flow rate is then given by <xref ref-type="disp-formula" rid="e26">Equation 26</xref>:<disp-formula id="e26">
<mml:math id="m392">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mtext>,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x2b;</mml:mo>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>,</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(26)</label>
</disp-formula>with <inline-formula id="inf367">
<mml:math id="m393">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> as the <inline-formula id="inf368">
<mml:math id="m394">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> mole fraction at the feed (trace <inline-formula id="inf369">
<mml:math id="m395">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> that remains after product separation). Assuming that <inline-formula id="inf370">
<mml:math id="m396">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x226a;</mml:mo>
<mml:mn>1</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>, the difference between the total molar flow rate of the feed <inline-formula id="inf371">
<mml:math id="m397">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>feed</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf372">
<mml:math id="m398">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mtext>,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> is negligible. The required flow rate of the redox-active material is then calculated from <xref ref-type="disp-formula" rid="e27">Equation 27</xref>:<disp-formula id="e27">
<mml:math id="m399">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:mfrac>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mtext>H</mml:mtext>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn>2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mtext>O</mml:mtext>
<mml:mtext>,in</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>ox</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:mfrac>
<mml:mo>.</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(27)</label>
</disp-formula>
</p>
<p>All the specific energy terms <inline-formula id="inf373">
<mml:math id="m400">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> and <inline-formula id="inf374">
<mml:math id="m401">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula> can then be used to calculate the required power or heat using <xref ref-type="disp-formula" rid="e28">Equation 28</xref>:<disp-formula id="e28">
<mml:math id="m402">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:mo>&#x3d;</mml:mo>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>i</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mtext>MO</mml:mtext>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
<label>(28)</label>
</disp-formula>with i as the index specifying which term (i.e., inert gas separation, solid sensible heating, e.g.). From this, it is straightforward to perform sizing calculations for the auxiliary units, as well as sizing up the energy source, whether using CST or other. It can also be coupled to a hydrogen production financial model, such as ProFAST, to obtain a physics-based TEA framework (<xref ref-type="bibr" rid="B23">Kee and Penev, 2023</xref>).</p>
</sec>
</sec>
</sec>
<sec sec-type="conclusion" id="s4">
<title>4 Conclusion</title>
<p>The developed REDOTHERM model provides a comprehensive basis for analysis of different redox-based chemical looping systems for a variety of applications, with the initial focus on thermochemical hydrogen and syngas production. REDOTHERM is an open-source tool that can be used as a benchmarking tool for research and development work in this field. REDOTHERM can benefit the following activities:<list list-type="simple">
<list-item>
<p>1. Material discovery efforts: through quick prediction of the effects of design parameters on expected system performance, researchers could screen potential materials more efficiently, as well as couple system performance considerations to computational chemistry frameworks for designing materials with specific desired properties.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>2. Reactor and system modeling: using REDOTHERM could allow reactor and system development efforts to quickly identify upper bound performance. While the model lacks detailed transport phenomena modeling, if the predicted performance for a system using REDOTHERM falls short of the target efficiency, an actual reactor/system would be unable to meet it.</p>
</list-item>
<list-item>
<p>3. Technoeconomic analysis (TEA): many TEA studies follow a simple &#x2018;figure-of-merit&#x2019; approach, in which performance of different unit operations is assumed to meet a given value. While reasonable for established technologies with long operational data, when used for low technology readiness level (TRL) technologies such as redox-based chemical looping, there is not always a justification for selecting specific values. REDOTHERM could be coupled with a TEA framework to improve cost predictions and help in understanding the effects of different design and operating conditions on the cost of the product.</p>
</list-item>
</list>
</p>
<p>Natural future extensions and additions to REDOTHERM capabilities include adding models for the upstream energy generation, whether through solar thermal or other sources; including more auxiliary technology options; adding more reactor types, such as the mixed flow reactor; and adding sizing for the components, as a first step to incorporate TEA models. This open-source tool can help the research community in advancing this promising technology for various applications through a collaborative effort.</p>
</sec>
</body>
<back>
<sec sec-type="data-availability" id="s5">
<title>Data availability statement</title>
<p>The datasets presented in this study can be found in online repositories. The names of the repository/repositories and accession number(s) can be found in the article/<xref ref-type="sec" rid="s11">Supplementary Material</xref>.</p>
</sec>
<sec sec-type="author-contributions" id="s6">
<title>Author contributions</title>
<p>AL: Conceptualization, Data curation, Formal Analysis, Investigation, Methodology, Project administration, Validation, Visualization, Writing &#x2013; original draft, Writing &#x2013; review and editing. JM: Investigation, Methodology, Validation, Writing &#x2013; original draft, Writing &#x2013; review and editing.</p>
</sec>
<sec sec-type="funding-information" id="s7">
<title>Funding</title>
<p>The author(s) declare that financial support was received for the research and/or publication of this article. This work was authored by the National Renewable Energy Laboratory for the U.S. Department of Energy (DOE) under Contract No. DE-AC36-08GO28308. The authors gratefully acknowledge research support from the HydroGEN Advanced Water Splitting Materials Consortium, established as part of the Energy Materials Network under the U.S. Department of Energy, Office of Energy Efficiency and Renewable Energy, Fuel Cell Technologies Office, under Contract Numbers DE-EE0010732 and DE-EE0010729.</p>
</sec>
<ack>
<p>The authors would like to acknowledge the helpful comments and feedback on the model offered by Zahra Hosseinzadeh-Nik. AL would also like to thank Brendan Bulfin for the fruitful discussions on performance indicators and their relations to material properties.</p>
</ack>
<sec sec-type="COI-statement" id="s8">
<title>Conflict of interest</title>
<p>The authors declare that the research was conducted in the absence of any commercial or financial relationships that could be construed as a potential conflict of interest.</p>
</sec>
<sec sec-type="ai-statement" id="s9">
<title>Generative AI statement</title>
<p>The author(s) declare that no Generative AI was used in the creation of this manuscript.</p>
<p>Any alternative text (alt text) provided alongside figures in this article has been generated by Frontiers with the support of artificial intelligence and reasonable efforts have been made to ensure accuracy, including review by the authors wherever possible. If you identify any issues, please contact us.</p>
</sec>
<sec sec-type="disclaimer" id="s10">
<title>Publisher&#x2019;s note</title>
<p>All claims expressed in this article are solely those of the authors and do not necessarily represent those of their affiliated organizations, or those of the publisher, the editors and the reviewers. Any product that may be evaluated in this article, or claim that may be made by its manufacturer, is not guaranteed or endorsed by the publisher.</p>
</sec>
<sec sec-type="supplementary-material" id="s11">
<title>Supplementary material</title>
<p>The Supplementary Material for this article can be found online at: <ext-link ext-link-type="uri" xlink:href="https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2025.1665986/full#supplementary-material">https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenrg.2025.1665986/full&#x23;supplementary-material</ext-link>
</p>
<supplementary-material xlink:href="DataSheet1.pdf" id="SM1" mimetype="application/pdf" xmlns:xlink="http://www.w3.org/1999/xlink"/>
</sec>
<ref-list>
<title>References</title>
<ref id="B1">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abanades</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Flamant</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Thermochemical hydrogen production from a two-step solar-driven water-splitting cycle based on cerium oxides</article-title>. <source>Sol. Energy</source> <volume>80</volume>, <fpage>1611</fpage>&#x2013;<lpage>1623</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.solener.2005.12.005</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B2">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Abanades</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Legal</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Cordier</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Peraudeau</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Flamant</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Julbe</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>Investigation of reactive cerium-based oxides for H2 production by thermochemical two-step water-splitting</article-title>. <source>J. Mater. Sci.</source> <volume>45</volume>, <fpage>4163</fpage>&#x2013;<lpage>4173</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1007/s10853-010-4506-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B3">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ackermann</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Takacs</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scheffe</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Steinfeld</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Reticulated porous ceria undergoing thermochemical reduction with high-flux irradiation</article-title>. <source>Int. J. Heat Mass Transf.</source> <volume>107</volume>, <fpage>439</fpage>&#x2013;<lpage>449</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijheatmasstransfer.2016.11.032</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B4">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Adanez</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abad</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Garcia-Labiano</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gayan</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>De Diego</surname>
<given-names>L. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Progress in chemical-looping combustion and reforming technologies</article-title>. <source>Prog. energy Combust. Sci.</source> <volume>38</volume>, <fpage>215</fpage>&#x2013;<lpage>282</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.pecs.2011.09.001</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B5">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bayon</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de la Calle</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stechel</surname>
<given-names>E. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muhich</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Operational limits of redox metal oxides performing thermochemical water splitting</article-title>. <source>Energy Technol.</source> <volume>10</volume>, <fpage>2100222</fpage>&#x2013;<lpage>11</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/ente.202100222</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B6">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bell</surname>
<given-names>I. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wronski</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Quoilin</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lemort</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Pure and pseudo-pure fluid thermophysical property evaluation and the open-source thermophysical property library CoolProp</article-title>. <source>Industrial and Eng. Chem. Res.</source> <volume>53</volume>, <fpage>2498</fpage>&#x2013;<lpage>2508</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/ie4033999</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">24623957</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B7">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Budama</surname>
<given-names>V. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Brendelberger</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roeb</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sattler</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Performance analysis and optimization of solar thermochemical water-splitting cycle with single and multiple receivers</article-title>. <source>Energy Technol.</source> <volume>10</volume>, <fpage>2100220</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1002/ente.202100220</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B8">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bulfin</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Thermodynamic limits of countercurrent reactor systems, with examples in membrane reactors and the ceria redox cycle</article-title>. <source>Phys. Chem. Chem. Phys.</source> <volume>21</volume>, <fpage>2186</fpage>&#x2013;<lpage>2195</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/C8CP07077F</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">30644473</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B9">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bulfin</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Call</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lange</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>L&#xfc;bben</surname>
<given-names>O.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sattler</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Pitz-Paal</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2015</year>). <article-title>Thermodynamics of CeO<sub>2</sub> thermochemical fuel production</article-title>. <source>Energy and Fuels</source> <volume>29</volume>, <fpage>1001</fpage>&#x2013;<lpage>1009</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/ef5019912</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B10">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bulfin</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hoffmann</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>de Oliveira</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Knoblauch</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Call</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roeb</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Statistical thermodynamics of non-stoichiometric ceria and ceria zirconia solid solutions</article-title>. <source>Phys. Chem. Chem. Phys.</source> <volume>18</volume>, <fpage>23147</fpage>&#x2013;<lpage>23154</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/C6CP03158G</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">27494765</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B11">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Bulfin</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miranda</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Steinfeld</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Performance indicators for benchmarking solar thermochemical fuel processes and reactors</article-title>. <source>Front. Energy Res.</source> <volume>9</volume>, <fpage>677980</fpage>&#x2013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2021.677980</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B12">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Carrillo</surname>
<given-names>R. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scheffe</surname>
<given-names>J. R.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Beyond ceria: theoretical investigation of isothermal and near-isothermal redox cycling of perovskites for solar thermochemical fuel production</article-title>. <source>Energy and Fuels</source> <volume>33</volume>, <fpage>12871</fpage>&#x2013;<lpage>12884</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.energyfuels.9b02714</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B13">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Chueh</surname>
<given-names>W. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Falter</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Abbott</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Scipio</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Furler</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haile</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2010</year>). <article-title>High-flux solar-driven thermochemical dissociation of CO<sub>2</sub> and H<sub>2</sub>O using ceria redox reactions</article-title>. <source>Science</source> <volume>330</volume>, <fpage>1797</fpage>&#x2013;<lpage>1801</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1126/science.1197834</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">21205663</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B14">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>de la Calle</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ermanoski</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stechel</surname>
<given-names>E. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Towards chemical equilibrium in thermochemical water splitting. part 1: thermal reduction</article-title>. <source>Int. J. Hydrogen Energy</source> <volume>47</volume>, <fpage>10474</fpage>&#x2013;<lpage>10482</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijhydene.2021.07.167</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B15">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>de la Calle</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ermanoski</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miller</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stechel</surname>
<given-names>E. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Towards chemical equilibrium in thermochemical water splitting. Part 2: Re-oxidation</article-title>. <source>Int. J. Hydrogen Energy</source> <volume>72</volume>, <fpage>1159</fpage>&#x2013;<lpage>1168</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijhydene.2024.05.298</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B16">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ehrhart</surname>
<given-names>B. D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muhich</surname>
<given-names>C. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Al-Shankiti</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weimer</surname>
<given-names>A. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>System efficiency for two-step metal oxide solar thermochemical hydrogen production &#x2013; Part 2: impact of gas heat recuperation and separation temperatures</article-title>. <source>Int. J. Hydrogen Energy</source> <volume>41</volume>, <fpage>19894</fpage>&#x2013;<lpage>19903</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijhydene.2016.07.110</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B17">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Fan</surname>
<given-names>L.-S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <source>Chemical looping systems for fossil energy conversions</source>. <publisher-name>John Wiley and Sons</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B18">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Gokon</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mataga</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kondo</surname>
<given-names>N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kodama</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2011</year>). <article-title>Thermochemical two-step water splitting by internally circulating fluidized bed of NiFe2O4 particles: successive reaction of thermal-reduction and water-decomposition steps</article-title>. <source>Int. J. Hydrogen Energy</source> <volume>36</volume>, <fpage>4757</fpage>&#x2013;<lpage>4767</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijhydene.2011.01.076</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B19">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Goodwin</surname>
<given-names>D. G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Moffat</surname>
<given-names>H. K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Schoegl</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Speth</surname>
<given-names>R. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weber</surname>
<given-names>B. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Cantera: an object-oriented software toolkit for chemical kinetics, thermodynamics, and transport processes</article-title>. <pub-id pub-id-type="doi">10.5281/zenodo.8137090</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B20">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>C.-K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haile</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Ceria&#x2013;zirconia solid solutions (Ce<sub>1-x</sub>Zr<sub>x</sub>O<sub>2-&#x3b4;</sub>
<italic>, x</italic> &#x2264; 0.2) for solar thermochemical water splitting: a thermodynamic study</article-title>. <source>Chem. Mater.</source> <volume>26</volume>, <fpage>6073</fpage>&#x2013;<lpage>6082</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/cm503131p</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B21">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Hathaway</surname>
<given-names>B. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bala Chandran</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gladen</surname>
<given-names>A. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Chase</surname>
<given-names>T. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Davidson</surname>
<given-names>J. H.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2016</year>). <article-title>Demonstration of a solar reactor for carbon dioxide splitting via the isothermal ceria redox cycle and practical implications</article-title>. <source>Energy and Fuels</source> <volume>30</volume>, <fpage>6654</fpage>&#x2013;<lpage>6661</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.energyfuels.6b01265</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B22">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kathe</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Empfield</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sandvik</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fryer</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhang</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Blair</surname>
<given-names>E.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Utilization of CO<sub>2</sub> as a partial substitute for methane feedstock in chemical looping methane&#x2013;steam redox processes for syngas production</article-title>. <source>Energy and Environ. Sci.</source> <volume>10</volume>, <fpage>1345</fpage>&#x2013;<lpage>1349</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c6ee03701a</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B23">
<citation citation-type="book">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Kee</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Penev</surname>
<given-names>M. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>ProFAST production financial analysis scenario tool SWR-23-88</article-title>. <publisher-loc>Golden, CO</publisher-loc>: <publisher-name>Tech. rep., National Renewable Energy Laboratory</publisher-name>.</citation>
</ref>
<ref id="B24">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lany</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Chemical potential analysis as an alternative to the van&#x2019;t hoff method: hypothetical limits of solar thermochemical hydrogen</article-title>. <source>J. Am. Chem. Soc.</source> <volume>146</volume>, <fpage>14114</fpage>&#x2013;<lpage>14127</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/jacs.4c02688</pub-id>
<pub-id pub-id-type="pmid">38739418</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B25">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wheeler</surname>
<given-names>V. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kreider</surname>
<given-names>P. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bader</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lipi&#x144;ski</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018a</year>). <article-title>Thermodynamic analyses of fuel production via solar-driven non-stoichiometric metal oxide redox cycling. Part 2. Impact of solid&#x2013;gas flow configurations and active material composition on system-level efficiency</article-title>. <source>Energy and Fuels</source> <volume>32</volume>, <fpage>10848</fpage>&#x2013;<lpage>10863</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.energyfuels.8b02082</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B26">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Li</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wheeler</surname>
<given-names>V. M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Kreider</surname>
<given-names>P. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lipi&#x144;ski</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2018b</year>). <article-title>Thermodynamic analyses of fuel production via solar-driven non-stoichiometric metal oxide redox cycling. Part 1. Revisiting flow and equilibrium assumptions</article-title>. <source>Energy and Fuels</source> <volume>32</volume>, <fpage>10838</fpage>&#x2013;<lpage>10847</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.energyfuels.8b02081</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B27">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lidor</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Hydrogen&#x2013;steam separation using mechanical vapor recompression cycle</article-title>. <source>Int. J. Hydrogen Energy</source> <volume>94</volume>, <fpage>664</fpage>&#x2013;<lpage>668</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ijhydene.2024.11.040</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B28">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lidor</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bulfin</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>A critical perspective and analysis of two-step thermochemical fuel production cycles</article-title>. <source>Sol. Compass</source> <volume>11</volume>, <fpage>100077</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.solcom.2024.100077</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B29">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lidor</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zimmermann</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Experimental demonstration of high-temperature heat recovery in a solar reactor</article-title>. <source>Sol. Energy</source> <volume>262</volume>, <fpage>111915</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.solener.2023.111915</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B30">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lidor</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fend</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Roeb</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sattler</surname>
<given-names>C.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>High performance solar receiver&#x2013;reactor for hydrogen generation</article-title>. <source>Renew. Energy</source> <volume>179</volume>, <fpage>1217</fpage>&#x2013;<lpage>1232</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.renene.2021.07.089</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B31">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Lidor</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aschwanden</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>H&#xe4;seli</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Reckinger</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haueter</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Steinfeld</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>High-temperature heat recovery from a solar reactor for the thermochemical redox splitting of H<sub>2</sub>O and CO<sub>2</sub>
</article-title>. <source>Appl. Energy</source> <volume>329</volume>, <fpage>120211</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apenergy.2022.120211</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B32">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Ma</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gifford</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Martinek</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Electric-thermal energy storage using solid particles as storage media</article-title>. <source>Joule</source> <volume>7</volume>, <fpage>843</fpage>&#x2013;<lpage>848</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.joule.2023.03.016</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B33">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Mao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gao</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Dong</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Song</surname>
<given-names>Z.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2020</year>). <article-title>Hydrogen production via a two-step water splitting thermochemical cycle based on metal oxide&#x2013;a review</article-title>. <source>Appl. energy</source> <volume>267</volume>, <fpage>114860</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.apenergy.2020.114860</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B34">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>McCord</surname>
<given-names>D. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gager</surname>
<given-names>E. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Johnson</surname>
<given-names>T. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Beachy</surname>
<given-names>J. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>King</surname>
<given-names>K. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Solar thermochemical redox cycling using ga- and al-doped lsm perovskites for renewable hydrogen production</article-title>. <source>J. Phys. Chem. C</source> <volume>128</volume>, <fpage>15796</fpage>&#x2013;<lpage>15806</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/acs.jpcc.4c02797</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B35">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>McDaniel</surname>
<given-names>A. H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miller</surname>
<given-names>E. C.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Arifin</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ambrosini</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Coker</surname>
<given-names>E. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>O&#x2019;Hayre</surname>
<given-names>R.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Sr- and Mn-doped LaAlO3-<italic>&#x3b4;</italic> for solar thermochemical H 2 and CO production</article-title>. <source>Energy Environ. Sci.</source> <volume>6</volume>, <fpage>2424</fpage>&#x2013;<lpage>2428</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c3ee41372a</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B36">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Nakamura</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1977</year>). <article-title>Hydrogen production from water utilizing solar heat at high temperatures</article-title>. <source>Sol. Energy</source> <volume>19</volume>, <fpage>467</fpage>&#x2013;<lpage>475</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0038-092X(77)90102-5</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B37">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Panlener</surname>
<given-names>R. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Blumenthal</surname>
<given-names>R. N.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Garnier</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>1975</year>). <article-title>A thermodynamic study of nonstoichiometric cerium dioxide</article-title>. <source>J. Phys. Chem. Solids</source> <volume>36</volume>, <fpage>1213</fpage>&#x2013;<lpage>1222</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/0022-3697(75)90192-4</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B38">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Patankar</surname>
<given-names>A. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wu</surname>
<given-names>X.-Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Choi</surname>
<given-names>W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tuller</surname>
<given-names>H. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ghoniem</surname>
<given-names>A. F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A reactor train system for efficient solar thermochemical fuel production</article-title>. <source>J. Sol. Energy Eng.</source> <volume>144</volume>, <fpage>061014</fpage>&#x2013;<lpage>12</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1115/1.4055298</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B39">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Romero</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Steinfeld</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2012</year>). <article-title>Concentrating solar thermal power and thermochemical fuels</article-title>. <source>Energy Environ. Sci.</source> <volume>5</volume>, <fpage>9234</fpage>&#x2013;<lpage>9245</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c2ee21275g</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B40">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Scheffe</surname>
<given-names>J. R.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Steinfeld</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Oxygen exchange materials for solar thermochemical splitting of H<sub>2</sub>O and CO<sub>2</sub>: a review</article-title>. <source>Mater. Today</source> <volume>17</volume>, <fpage>341</fpage>&#x2013;<lpage>348</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.mattod.2014.04.025</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B41">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Siegel</surname>
<given-names>N. P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Miller</surname>
<given-names>J. E.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Ermanoski</surname>
<given-names>I.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Diver</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stechel</surname>
<given-names>E. B.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2013</year>). <article-title>Factors affecting the efficiency of solar driven metal oxide thermochemical cycles</article-title>. <source>Industrial and Eng. Chem. Res.</source> <volume>52</volume>, <fpage>3276</fpage>&#x2013;<lpage>3286</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1021/ie400193q</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B42">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Steinfeld</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2005</year>). <article-title>Solar thermochemical production of hydrogen - a review</article-title>. <source>Sol. Energy</source> <volume>78</volume>, <fpage>603</fpage>&#x2013;<lpage>615</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.solener.2003.12.012</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B43">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Thanda</surname>
<given-names>V.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fend</surname>
<given-names>T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Laaber</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Lidor</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>von Storch</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>S&#xe4;ck</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Experimental investigation of the applicability of a 250 kW ceria receiver/reactor for solar thermochemical hydrogen generation</article-title>. <source>Renew. Energy</source> <volume>198</volume>, <fpage>389</fpage>&#x2013;<lpage>398</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.renene.2022.08.010</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B44">
<citation citation-type="journal">
<collab>The MathWorks Inc</collab>. (<year>2023</year>). <article-title>MATLAB version: 23.2.0.2428915 (R2023b) Update 4</article-title>.</citation>
</ref>
<ref id="B45">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Tran</surname>
<given-names>J. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Warren</surname>
<given-names>K. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Mejic</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Anderson</surname>
<given-names>R. L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Jones</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Hauschulz</surname>
<given-names>D. S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Pressure-enhanced performance of metal oxides for thermochemical water and carbon dioxide splitting</article-title>. <source>Joule</source> <volume>7</volume>, <fpage>1759</fpage>&#x2013;<lpage>1768</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.joule.2023.07.016</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B46">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Vieten</surname>
<given-names>J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bulfin</surname>
<given-names>B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Huck</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Horton</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Guban</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhu</surname>
<given-names>L.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2019</year>). <article-title>Materials design of perovskite solid solutions for thermochemical applications</article-title>. <source>Energy and Environ. Sci.</source> <volume>12</volume>, <fpage>1369</fpage>&#x2013;<lpage>1384</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c9ee00085b</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B47">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Warren</surname>
<given-names>K. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weimer</surname>
<given-names>A. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>Solar thermochemical fuels: present status and future prospects</article-title>. <source>Sol. Compass</source> <volume>1</volume>, <fpage>100010</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.solcom.2022.100010</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B48">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Warren</surname>
<given-names>K. J.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Tran</surname>
<given-names>J. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Weimer</surname>
<given-names>A. W.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2022</year>). <article-title>A thermochemical study of iron aluminate-based materials: a preferred class for isothermal water splitting</article-title>. <source>Energy Environ. Sci.</source> <volume>15</volume>, <fpage>806</fpage>&#x2013;<lpage>821</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/d1ee02679h</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B49">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wexler</surname>
<given-names>R. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Gautam</surname>
<given-names>G. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bell</surname>
<given-names>R. T.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Shulda</surname>
<given-names>S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Strange</surname>
<given-names>N. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Trindell</surname>
<given-names>J. A.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2023</year>). <article-title>Multiple and nonlocal cation redox in ca&#x2013;ce&#x2013;ti&#x2013;mn oxide perovskites for solar thermochemical applications</article-title>. <source>Energy and Environ. Sci.</source> <volume>16</volume>, <fpage>2550</fpage>&#x2013;<lpage>2560</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/d3ee00234a</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B50">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Wilson</surname>
<given-names>S. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sarsam</surname>
<given-names>P. W.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Stechel</surname>
<given-names>E. B.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Muhich</surname>
<given-names>C. L.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2024</year>). <article-title>Extracting metal oxide redox thermodynamics from tga measurements requires moving beyond the linearized van &#x2019;t hoff approach</article-title>. <source>Front. Energy Res.</source> <volume>12</volume>, <fpage>1470010</fpage>&#x2013;<lpage>1472024</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.3389/fenrg.2024.1470010</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B51">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Yang</surname>
<given-names>C.-K.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Yamazaki</surname>
<given-names>Y.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aydin</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Haile</surname>
<given-names>S. M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2014</year>). <article-title>Thermodynamic and kinetic assessments of strontium-doped lanthanum manganite perovskites for two-step thermochemical water splitting</article-title>. <source>J. Mater. Chem. A</source> <volume>2</volume>, <fpage>13612</fpage>&#x2013;<lpage>13623</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/C4TA02694B</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B52">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zang</surname>
<given-names>G.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sun</surname>
<given-names>P.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Elgowainy</surname>
<given-names>A. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Bafana</surname>
<given-names>A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Wang</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2021</year>). <article-title>Performance and cost analysis of liquid fuel production from h2 and co2 based on the fischer-tropsch process</article-title>. <source>J. CO2 Util.</source> <volume>46</volume>, <fpage>101459</fpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.jcou.2021.101459</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B53">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>X.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhou</surname>
<given-names>H.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Sikarwar</surname>
<given-names>V. S.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Zhao</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Park</surname>
<given-names>A.-H. A.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Fennell</surname>
<given-names>P. S.</given-names>
</name>
<etal/>
</person-group> (<year>2017</year>). <article-title>Biomass-based chemical looping technologies: the good, the bad and the future</article-title>. <source>Energy and Environ. Sci.</source> <volume>10</volume>, <fpage>1885</fpage>&#x2013;<lpage>1910</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1039/c6ee03718f</pub-id>
</citation>
</ref>
<ref id="B54">
<citation citation-type="journal">
<person-group person-group-type="author">
<name>
<surname>Zinkevich</surname>
<given-names>M.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Djurovic</surname>
<given-names>D.</given-names>
</name>
<name>
<surname>Aldinger</surname>
<given-names>F.</given-names>
</name>
</person-group> (<year>2006</year>). <article-title>Thermodynamic modelling of the cerium&#x2013;oxygen system</article-title>. <source>Solid State Ionics</source> <volume>177</volume>, <fpage>989</fpage>&#x2013;<lpage>1001</lpage>. <pub-id pub-id-type="doi">10.1016/j.ssi.2006.02.044</pub-id>
</citation>
</ref>
</ref-list>
<sec id="s12">
<title>Nomenclature</title>
<sec>
<title>Roman symbols</title>
<def-list>
<def-item>
<term id="G1-fenrg.2025.1665986">
<bold>HHV</bold>
</term>
<def>
<p>Higher heating value, J&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>
</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G2-fenrg.2025.1665986">
<inline-formula id="inf375">
<mml:math id="m403">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">j</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">A</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</term>
<def>
<p>Molar flux of species A from flow 1 to flow 2, mol&#x2009;m<sup>&#x2212;1</sup>&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>
</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G3-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf376">
<mml:math id="m404">
<mml:mrow>
<mml:mi>K</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Equilibrium constant</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G4-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf377">
<mml:math id="m405">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>n</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Molar flow rate, mol&#x2009;s<sup>&#x2212;1</sup>
</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G5-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf378">
<mml:math id="m406">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Reactor pressure, Pa</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G6-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf379">
<mml:math id="m407">
<mml:mrow>
<mml:mi>p</mml:mi>
<mml:mo>&#xb0;</mml:mo>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Reference pressure, Pa</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G7-fenrg.2025.1665986">
<inline-formula id="inf380">
<mml:math id="m408">
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold-italic">p</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:msub>
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="bold">O</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mrow>
<mml:mn mathvariant="bold">2</mml:mn>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:msub>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</term>
<def>
<p>Oxygen partial pressure, Pa</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G8-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf381">
<mml:math id="m409">
<mml:mrow>
<mml:mi>q</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Specific heat, J&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>
</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G9-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf382">
<mml:math id="m410">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>Q</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Heat transfer rate, W</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G10-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf383">
<mml:math id="m411">
<mml:mrow>
<mml:mi>R</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Universal gas constant, kJ&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>&#x2009;K<sup>&#x2212;1</sup>
</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G11-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf384">
<mml:math id="m412">
<mml:mrow>
<mml:mi>T</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Temperature, K</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G12-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf385">
<mml:math id="m413">
<mml:mrow>
<mml:mi>w</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Specific work, J&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>
</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G13-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf386">
<mml:math id="m414">
<mml:mrow>
<mml:mover accent="true">
<mml:mrow>
<mml:mi>W</mml:mi>
</mml:mrow>
<mml:mo>&#x307;</mml:mo>
</mml:mover>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Power, W</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G14-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf387">
<mml:math id="m415">
<mml:mrow>
<mml:mi>X</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Conversion extent</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G15-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf388">
<mml:math id="m416">
<mml:mrow>
<mml:mi>x</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Mole fraction</p>
</def>
</def-item>
</def-list>
</sec>
<sec>
<title>Greek symbols</title>
<def-list>
<def-item>
<term id="G16-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf389">
<mml:math id="m417">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Deviation from non-stoichiometry</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G17-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf390">
<mml:math id="m418">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3b4;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Extent of reduction</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G18-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf391">
<mml:math id="m419">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Change in oxygen content in the redox-active material</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G19-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf392">
<mml:math id="m420">
<mml:mrow>
<mml:mi mathvariant="normal">&#x394;</mml:mi>
<mml:mi>G</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Gibbs free energy of reaction, kJ&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>
</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G20-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf393">
<mml:math id="m421">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Heat recovery effectiveness</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G21-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf394">
<mml:math id="m422">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3b7;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>System efficiency</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G22-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf395">
<mml:math id="m423">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3ba;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Species exchange coordinate</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G23-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf396">
<mml:math id="m424">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3bc;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Chemical potential, kJ&#x2009;mol<sup>&#x2212;1</sup>
</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G24-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf397">
<mml:math id="m425">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3c9;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Ratio between gas and solid molar flow rates</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G25-fenrg.2025.1665986">
<bold>
<inline-formula id="inf398">
<mml:math id="m426">
<mml:mrow>
<mml:mi>&#x3d5;</mml:mi>
</mml:mrow>
</mml:math>
</inline-formula>
</bold>
</term>
<def>
<p>Oxygen content in the redox-active material</p>
</def>
</def-item>
</def-list>
</sec>
<sec>
<title>Subscripts</title>
<def-list>
<def-item>
<term id="G26-fenrg.2025.1665986">
<bold>f</bold>
</term>
<def>
<p>final state</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G27-fenrg.2025.1665986">
<bold>fuel</bold>
</term>
<def>
<p>Fuel</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G28-fenrg.2025.1665986">
<bold>g</bold>
</term>
<def>
<p>gas phase</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G29-fenrg.2025.1665986">
<bold>in</bold>
</term>
<def>
<p>Inlet</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G30-fenrg.2025.1665986">
<bold>MO</bold>
</term>
<def>
<p>Metal oxide</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G31-fenrg.2025.1665986">
<bold>out</bold>
</term>
<def>
<p>Outlet</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G32-fenrg.2025.1665986">
<bold>ox</bold>
</term>
<def>
<p>Oxidation</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G33-fenrg.2025.1665986">
<bold>prod</bold>
</term>
<def>
<p>Product</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G34-fenrg.2025.1665986">
<bold>reac</bold>
</term>
<def>
<p>Reactant</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G35-fenrg.2025.1665986">
<bold>red</bold>
</term>
<def>
<p>Reduction</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G36-fenrg.2025.1665986">
<bold>req</bold>
</term>
<def>
<p>Required for the entire process</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G37-fenrg.2025.1665986">
<bold>sg</bold>
</term>
<def>
<p>Sweep gas</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G38-fenrg.2025.1665986">
<bold>s</bold>
</term>
<def>
<p>solid phase</p>
</def>
</def-item>
</def-list>
</sec>
<sec>
<title>Superscripts</title>
<def-list>
<def-item>
<term id="G39-fenrg.2025.1665986">
<bold>ox</bold>
</term>
<def>
<p>Oxidation</p>
</def>
</def-item>
<def-item>
<term id="G40-fenrg.2025.1665986">
<bold>red</bold>
</term>
<def>
<p>Reduction</p>
</def>
</def-item>
</def-list>
</sec>
</sec>
</back>
</article>