Въведение
Термохимичното разделяне на водата е процес, използван за производство на водород, при който се използва високотемпературна топлина (500°C до 2000°C) и поредица от химични реакции. Химикалите, използвани в процеса, се използват повторно при всеки цикъл, като се създава затворен цикъл, при който се консумира само вода и се произвеждат водород и кислород. По този начин термохимичното производство на водород е екологична алтернатива на системите за производство на водород, базирани на изкопаеми горива [1].
Условия за измерване
За да се изследва термохимичното разделяне на водата върху LSC20 (La0.8Sr0.2CoO3), бяха извършени термогравиметрични измервания (TGA) с помощта на NETZSCH STA 449 F3 Jupiter® . За поддържащата интерпретация термоанализаторът беше допълнително свързан с NETZSCH QMS Aëolos® Quadro квадруполен масспектрометър. Подробна компилация на точните условия на измерване може да се намери в таблица 1.
Таблица 1: Параметри на измерването
| Параметър | Термохимично разделяне на вода върху LSC20 |
|---|---|
| Устройство | STA 449 F3 Jupiter® |
| Аксесоари | Пещ за водни пари и генератор на пари |
| Носител на проба | TGA, тип S |
| Тигел | TGA плоча, изработена от Al2O3 с диаметър 17 mm |
| Тегло на образеца | 215.46 mg прахообразна проба) |
| Програма за измерване | RT до 1200°C, 15 K/min, 4%H2 в аргон 90 мин. изотерма @ 1200°C, 4%H2 в аргон 1200°C до 600°C, 15 K/min, 4%H2 в аргон 30 мин. изотерма @ 600°C, аргон 60 мин. изотерма @ 600°C, 33%H2Oв аргон 30 мин. изотерма при 600 °C, аргон |
Резултати и обсъждане
На първия етап от изследването LSC20 беше активиран с помощта на редуцираща атмосфера (4%H2 в аргон). По този начин материалът на образеца показва ясно изразена загуба на маса от -11,0 %. Освен това потреблението на водород (масово число 2) с едновременното освобождаване на вода (масово число 18) може да се наблюдава ясно с помощта на едновременно свързания масспектрометър (вж. синята и черната крива на фигура 2).
Същинското термохимично разделяне на водата се извършва във втората част на изследването. За тази цел образецът е охладен до 600°C и след това е изложен на газова атмосфера, съдържаща вода (33%H2Oв аргон). Това доведе до окислително индуцирано увеличение на масата със 7,4 % с едновременно освобождаване на водород (вж. маса № 2 на фигура 2). Въз основа на резките промени в кривата на масата, както и на кривата на тока Ionic на масспектрометъра, може да се види, че разделянето на водата е многоетапен процес; това предполага директна повърхностна реакция като начален етап на реакцията, както и дифузионно контролирана реакция в по-нататъшния ход.
Резюме
Концепцията на платформата на NETZSCH STA 449 F3 Jupiter® осигурява отлична основа за възпроизвеждане на сложни термични процеси и явления. В представения пример успешно е възпроизведено целенасочено изследване на термохимична реакция на разделяне на вода с помощта на специално проектирана пещ за водни пари и парогенератор.
В този пример не само бяха точно измерени промените в теглото (гравиметричен запис), но и бяха анализирани и интерпретирани процесите, протичащи по време на реакцията. Това беше постигнато чрез използване на свързана масспектрометрия за изследване на газовете, отделяни по време на реакцията.
Комбинацията от тези инструменти - STA, пещ за водни пари, парогенератор и свързан масспектрометър - създава идеална конфигурация за цялостно характеризиране на протичащите реакции, свързани с термохимичното разделяне на водата.