الهيدروجين: محرك رئيسي في تحولات الطاقة النظيفة
مقدمة
ويقف الهيدروجين في طليعة التحولات في مجال الطاقة النظيفة، حيث يقود العمليات الصناعية الخالية من الكربون ويدعم تكامل الطاقة المتجددة. ويسلط تعدد استخداماته في الإنتاج والتخزين والاستخدام الضوء على دوره كحجر الزاوية في أنظمة الطاقة المستدامة. وقد كشفت الأبحاث الحديثة التي أجريت مؤخراً بالاستفادة من تقنيات التحليل الحراري المتقدمة عن إمكانات تطبيق الهيدروجين على نطاق واسع، بما في ذلك دوره في تقنيات الإنتاج، والعمليات المعدنية، وتخزين الطاقة الحرارية الكيميائية، ودورات الاختزال/الأكسدة المبتكرة. وتؤكد هذه التطورات تأثير الهيدروجين التحويلي على الطاقة وعلوم المواد.
ومن الأمثلة على ذلك استخدام تحليل قياس الثقل الحراري (TGA) لدراسة دورات الاختزال/الأكسدة لأكاسيد/فلزات المعادن لتطبيقات الطاقة الخالية من الكربون. وقد أظهرت الدراسات [تشين وآخرون، 2024؛ سيرسيلو وآخرون، 2024] أن دورات الاختزال/الأكسدة المتكررة مع الهيدروجين في أجواء محكومة يمكن أن تؤدي إلى تغييرات هيكلية تؤثر على التفاعلية. توفر نتائج هذه الأوراق البحثية رؤى حول التغيرات الهيكلية في ظل ظروف غير متساوية الحرارة ومتساوية الحرارة، مما يكشف عن تأثير درجة الحرارة وتكوين الغاز على حركية التفاعل. في مجال تخزين الطاقة الحرارية الكيميائية، تم تحليل حركية أكسدة Cu2Oإلى CuO [Jahromy وآخرون، 2019].
الأجهزة
في هذه المذكرة التطبيقية، نسعى في هذه المذكرة التطبيقية إلى إظهار قدرة تطوراتنا الجديدة لسلسلة NETZSCH STA 509. وهي مصممة لدعم أبحاث الهيدروجين المتقدمة، مما يساعد على التحقيق في التغيرات الحركية أثناء تفاعلات الأكسدة والاختزال القابلة للانعكاس. وقد صُمم النظام للتعامل مع التجارب في جو هيدروجيني بنسبة 100%، ومعالجة تحديات مخاطر قابلية الهيدروجين للاشتعال في درجات حرارة تصل إلى 1600 درجة مئوية.
ويتمثل أحد الابتكارات الرئيسية في دمج نظام H₂Secure في أجهزة STA، مما يضمن التشغيل الآمن في أجواء هيدروجينية بنسبة تصل إلى 100%. وهو يشتمل على صندوق تحكم مركزي لتنظيم الغاز، ومراقبة H2وO2 في الوقت الحقيقي، وآلية آمنة من الأعطال تعمل على تطهير الهيدروجين بغاز خامل في حالة حدوث أعطال. يضمن مسار تدفق الغاز المحسّن التوزيع المتحكم فيه لجو الغاز على العينة. يتيح مستشعر الضغط الداخلي مراقبة حدود الضغط الزائد داخل الفرن وغرف القياس. تسمح هذه الإمكانية باكتشاف تكوين التسرب العرضي أثناء التجارب، مما يضمن تعزيز السلامة وسلامة النظام.
النتائج التجريبية والمناقشة
يسلط المثال الوارد في هذه الدراسة الضوء على تفاعل الأكسدة والاختزال القابل للانعكاس لأكسيد النحاس (CuO) والنحاس (Cu) في ظل ظروف محكومة. أُجريت سلسلة من الدورات عند درجة حرارة 500 درجة مئوية باستخدام H2 بنسبة 100% للاختزال والهواء الاصطناعي (21% O2) للأكسدة.
وترد معلمات القياس الرئيسية في الجدول 1.
الجدول 1: معلمات القياس
| الأداة | STA 4491 |
| العينة | النحاس |
| كتلة العينة | 29.975 مجم |
| البوتقة | Al2O3 مفتوح |
| فرن | SiC |
| حامل العينة | صفيحة TGA P |
| الملحقات | صندوق ح₂آمنBox، مولد H2 |
التطهير 1 | H2 (150 مل/دقيقة) |
التطهير 2 | Ar (150 مل/دقيقة) |
التطهير 3 | هواء اصطناعي (150 مل/دقيقة( |
وقائي | Ar (20 مل/دقيقة) |
1 أُجريت التجارب باستخدام الإصدار السابق (STA 449) من سلسلة STA 509، وهو متوافق تمامًا مع الإصدار الحالي ويوفر دقة وجودة نتائج مماثلة.
يوضح الشكل 1 نتائج TGA التي تم الحصول عليها. وتوضح النتائج قابلية النظام للانعكاس، مع ملاحظة التغيرات الحركية التدريجية على مدار الدورات المتتالية.
تتم مناقشة هذه النتائج في الخطوات التالية.
1. التسخين المبدئي:
تم تسخين العينة إلى 500 درجة مئوية تحت جو من الأرجون الواقي (التطهير 2 والحماية).
2. مرحلة الاختزال:
- بمجرد استقرار الحالة المتساوية الحرارة، تم إدخال H2 بنسبة 100% (تطهير 1) لمدة 5 دقائق.
- حدث اختزال CuO إلى نحاس معدني بسرعة، مما أدى إلى استقرار الكتلة عند 79.9%.
- تطابق فقدان الكتلة بنسبة 20.1% مع القيمة النظرية البالغة 20.11%، مما يؤكد الاختزال الكامل إلى مسحوق النحاس المعدني النقي.
3. الانتقال إلى الأكسدة:
- بعد الاختزال، تم تبديل غاز التطهير إلى الأرجون (التطهير 2) لإزالة H₂ من الفرن/الأداة لمدة 5 دقائق.
- وهذا يضمن التحول الآمن إلى الهواء الاصطناعي لخطوة الأكسدة.
4. مرحلة الأكسدة:
- بعد ذلك، تم إدخال الهواء الاصطناعي (التطهير 3) لمدة 60 دقيقة.
- كانت إشارة TGA تتغير باستمرار.
- ولوحظت زيادة تدريجية في الكتلة، لكن الزيادة في الكتلة وصلت إلى 19.0% بدلًا من الخسارة البالغة 20.1% التي شوهدت في الدورة الأولى، مما يشير إلى عدم اكتمال الأكسدة.
الدورات
- الاختزال
كان الاختزال إلى النحاس المعدني كاملًا في جميع الدورات، محققًا نفس الكتلة المستقرة بنسبة 79.9%، مما يشير إلى أداء اختزال ثابت مع هيدروجين بنسبة 100%. - الأكسدة
أظهرت الأكسدة اتجاهًا تنازليًا مع الدورات المتتالية: من 20.1% في البداية إلى 19.0% ثم إلى 18.2%. يشير هذا الانخفاض إلى تخميل السطح أو تكتل الجسيمات، والذي يمكن أن يمنع الأكسدة الكاملة بمرور الوقت ويغير الآلية الحركية للتفاعل. يُشار إلى هذا التغيير من خلال التغييرات في شكل المنحنى والتغير الكلي للكتلة بين دورة الأكسدة الأولى ودورات الأكسدة التالية.
تسلط نتائج هذه التجربة الضوء على الطبيعة الانعكاسية لتفاعل الأكسدة والاختزال CuO/Cu
CuO + H2 ↔ Cu + H2O
وتوضح تأثير تخميل السطح على حركية التفاعل، خاصة أثناء خطوة الأكسدة. تعتبر هذه النتائج مهمة لفهم سلوك المواد في ظل ظروف الأكسدة والاختزال الدورية، مع ما يترتب على ذلك من آثار على التطبيقات التحفيزية وتخزين الطاقة.
الملخص
يشكل NETZSCH STA 509 Jupiter® مع صندوق ح₂آمنأداة قوية لأبحاث الهيدروجين. وقد صُمم النظام لتحليل تفاعلات الأكسدة والاختزال في درجات الحرارة العالية في ظل أجواء محكومة بما في ذلك الغازات الغنية بالهيدروجين والغازات المختلطة. وتضمن ميزاته المتقدمة السلامة والموثوقية أثناء التجارب مع دعم مجموعة واسعة من التطبيقات، بما في ذلك دراسة دورات الاختزال والأكسدة، وتحسين العمليات الحفازة، وتحسين التقنيات القائمة على الهيدروجين في مجال المعادن وتخزين الطاقة. من خلال توفير رؤى دقيقة في حركية التفاعل والتحولات الطورية واستقرار المواد، تمكّن سلسلة STA 509 الباحثين من تعزيز الكفاءة وقابلية التحمل في التطبيقات الصناعية والمادية، مما يدفع عجلة الابتكار في العمليات التي تعتمد على الهيدروجين.