Termogravimetrická analýza redoxní reakce CuO a Cu pomocí H₂Secure boxu

Vodík: Klíčový faktor přechodu na čistou energii

Úvod

Vodík stojí v čele přechodu na čistou energii, je hnací silou bezuhlíkových průmyslových procesů a podporuje integraci obnovitelných zdrojů energie. Jeho všestrannost při výrobě, skladování a využívání zdůrazňuje jeho roli jako základního kamene udržitelných energetických systémů. Nedávný výzkum využívající pokročilé techniky termické analýzy odhalil široký potenciál využití vodíku, včetně jeho úlohy ve výrobních technologiích, metalurgických procesech, termochemickém skladování energie a inovativních redukčních/oxidačních cyklech. Tyto pokroky podtrhují transformační dopad vodíku na energetiku a vědu o materiálech.

Jedním z příkladů je využití termogravimetrické analýzy (TGA) ke studiu redukčních/oxidačních cyklů oxidů kovů/kovů pro uhlíkově neutrální energetické aplikace. Studie [Chen et al., 2024; Cerciello et al., 2024] ukázaly, že opakované redukční/oxidační cykly s vodíkem v kontrolovaných atmosférách mohou vést ke strukturním změnám, které ovlivňují reaktivitu. Výsledky těchto prací poskytují pohled na strukturní změny za neizotermických a IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermických podmínek a odhalují vliv teploty a složení plynu na reakční kinetiku. V oblasti termochemického skladování energie byla analyzována kinetika OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.oxidace _Cu2Ona CuO [Jahromy et al., 2019].

Přístrojové vybavení

V této aplikační poznámce se snažíme demonstrovat možnosti našeho nového vývoje pro řadu NETZSCH STA 509. Ty jsou určeny k podpoře pokročilého výzkumu vodíku a pomáhají zkoumat kinetické změny během reverzibilních redoxních reakcí. Systém je navržen tak, aby zvládal experimenty ve 100% vodíkové atmosféře a řešil problémy spojené s rizikem hořlavosti vodíku při teplotách až 1600 °C.

Klíčovou inovací je integrace systému H₂Secure do zařízení STA, který zajišťuje bezpečný provoz v až 100% vodíkové atmosféře. Zahrnuje centralizovanou řídicí skříňku pro regulaci plynu, monitorování_H2 a _O2 v reálném čase a bezpečnostní mechanismus, který v případě poruchy vyčistí vodík inertním plynem. Optimalizovaná cesta proudění plynu zajišťuje řízené rozložení plynné atmosféry nad vzorkem. Vnitřní snímač tlaku umožňuje sledovat limity přetlaku v peci a měřicích komorách. Tato schopnost umožňuje odhalit náhodnou tvorbu úniku během experimentů, čímž je zajištěna zvýšená bezpečnost a integrita systému.

Výsledky experimentů a diskuse

Příklad v této studii poukazuje na reverzibilní redoxní reakci oxidu měďnatého (CuO) a mědi (Cu) za kontrolovaných podmínek. Série cyklů byla provedena při 500 °C za použití 100%_H2 pro redukci a syntetického vzduchu (21 % _O2) pro oxidaci.

Hlavní parametry měření jsou uvedeny v tabulce 1.

Tabulka 1: Parametry měření

¹ Experimenty byly provedeny s předchozí verzí (STA 449) přístroje řady STA 509, která je plně kompatibilní s aktuální verzí a poskytuje srovnatelnou přesnost a kvalitu výsledků.

Obrázek 1 ukazuje získané výsledky TGA. Zjištění ukazují reverzibilitu systému, přičemž v průběhu po sobě jdoucích cyklů byly pozorovány postupné kinetické změny.

Tyto výsledky jsou popsány v následujících krocích.

1. Počáteční zahřívání:
Vzorek byl zahříván na 500 °C v ochranné atmosféře argonu (Purge 2 a Protective).

2. Redukční fáze:

• Po ustálení IzotermickýZkoušky při kontrolované a konstantní teplotě se nazývají izotermické.izotermického stavu byl na 5 minut zaveden 100%_H2 (Purge 1).
• Redukce CuO na kovovou Cu proběhla rychle, což vedlo ke stabilizaci hmotnosti na 79,9 %.
• Hmotnostní ztráta 20,1 % odpovídala teoretické hodnotě 20,11 %, což potvrzuje úplnou redukci na čistý kovový prášek Cu.

3. Přechod k oxidaci:

• Po redukci byl čisticí plyn přepnut na argon (Purge 2), aby se z pece/přístroje na 5 minut odstranil H₂.
• Tím byl zajištěn bezpečný přechod na syntetický vzduch pro oxidační krok.

4. Oxidační fáze:

• Poté byl na 60 minut zaveden syntetický vzduch (Purge 3).
• Signál TGA se průběžně měnil.
• Byl pozorován postupný nárůst hmotnosti, ale přírůstek hmotnosti dosáhl 19,0 % namísto úbytku 20,1 % zaznamenaného v prvním cyklu, což svědčí o neúplné oxidaci.

Cykly

• Redukce
  Redukce na kovovou Cu byla ve všech cyklech úplná a dosáhla stejné stabilizované hmotnosti 79,9 %, což svědčí o konzistentním výkonu redukce se 100% vodíkem.
• OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.Oxidace
  OxidaceOxidace může v rámci termické analýzy popisovat různé procesy.Oxidace vykazovala s postupnými cykly klesající trend: z původních 20,1 % na 19,0 % a poté na 18,2 %. Tento pokles naznačuje pasivaci povrchu nebo aglomeraci částic, která může v průběhu času bránit úplné oxidaci a měnit kinetický mechanismus reakce. Tuto změnu naznačují změny tvaru křivky a celkové změny hmotnosti mezi prvním a následujícím oxidačním cyklem.

Výsledky tohoto experimentu zdůrazňují reverzibilní povahu redoxní reakce CuO/Cu

CuO +_H2 ↔ Cu +_H2O

a ukazují vliv pasivace povrchu na kinetiku reakce, zejména během oxidačního kroku. Tato zjištění jsou zásadní pro pochopení chování materiálu za cyklických redoxních podmínek, což má důsledky pro katalytické aplikace a aplikace pro ukládání energie.

Souhrn

NETZSCH STA 509 Jupiter^® v kombinaci s boxem_H2Securepředstavuje výkonný nástroj pro výzkum vodíku. Systém je určen k analýze vysokoteplotních redoxních reakcí v kontrolovaných atmosférách, včetně plynů bohatých na vodík a směsných plynů. Jeho pokročilé funkce zajišťují bezpečnost a spolehlivost během experimentů a zároveň podporují širokou škálu aplikací, včetně studia redukčně-oxidačních cyklů, optimalizace katalytických procesů a zdokonalování technologií založených na vodíku v metalurgii a skladování energie. Díky přesným poznatkům o reakční kinetologii, fázových přechodech a stabilitě materiálů umožňuje řada STA 509 výzkumným pracovníkům zvýšit účinnost a dosažitelnost v průmyslových a materiálových aplikacích a podpořit inovace v procesech založených na vodíku.