Brint: En vigtig drivkraft i overgangen til ren energi
Introduktion
Brint står i spidsen for overgangen til ren energi, driver kulstoffrie industrielle processer og understøtter integrationen af vedvarende energi. Brintens alsidighed inden for produktion, opbevaring og anvendelse fremhæver dens rolle som hjørnesten i bæredygtige energisystemer. Nyere forskning, der udnytter avancerede termiske analyseteknikker, har afsløret brints brede anvendelsespotentiale, herunder dets rolle i produktionsteknologier, metallurgiske processer, termokemisk energilagring og innovative reduktions-/oxidationscyklusser. Disse fremskridt understreger brints transformerende indvirkning på energi og materialevidenskab.
Et eksempel er brugen af termogravimetrisk analyse (TGA) til at studere reduktions-/oxidationscyklusser af metaloxider/metaller til kulstofneutrale energianvendelser. Undersøgelser [Chen et al., 2024; Cerciello et al., 2024] har vist, at gentagne reduktions-/oxidationscyklusser med brint i kontrollerede atmosfærer kan føre til strukturelle ændringer, der påvirker reaktiviteten. Resultaterne af disse artikler giver indsigt i strukturelle ændringer under ikke-isotermiske og isotermiske forhold og afslører effekten af temperatur og gassammensætning på reaktionskinetikken. Inden for termokemisk energilagring er oxidationskinetikken for Cu2Otil CuO blevet analyseret [Jahromy et al., 2019].
Instrumentering
I denne applikationsnote forsøger vi at demonstrere kapaciteten i vores nye udviklinger til NETZSCH STA 509-serien. De er designet til at understøtte avanceret brintforskning og hjælpe med at undersøge kinetiske ændringer under reversible redoxreaktioner. Systemet er konstrueret til at håndtere eksperimenter i en 100 % brintatmosfære, hvilket imødekommer udfordringerne med brints brandfarlighed ved temperaturer op til 1600 °C.
En vigtig nyskabelse er integrationen af H₂Secure-systemet i STA-enheder, som sikrer sikker drift i op til 100 % H₂-atmosfærer. Det omfatter en centraliseret kontrolboks til gasregulering,H2- ogO2-overvågning i realtid og en fejlsikker mekanisme, der renser brint ud med inert gas i tilfælde af funktionsfejl. En optimeret gasstrømningsvej sikrer kontrolleret fordeling af gasatmosfæren over prøven. En intern tryksensor muliggør overvågning af overtryksgrænser i ovnen og målekamrene. Denne funktion gør det muligt at opdage utilsigtede lækager under eksperimenter, hvilket sikrer øget sikkerhed og systemintegritet.
Eksperimentelle resultater og diskussion
Eksemplet i denne undersøgelse fremhæver den reversible redoxreaktion mellem kobberoxid (CuO) og kobber (Cu) under kontrollerede forhold. En række cyklusser blev udført ved 500 °C med 100 %H2 til reduktion og syntetisk luft (21 %O2) til OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation.
De vigtigste måleparametre er angivet i tabel 1.
Tabel 1: Måleparametre
| Instrument | STA 4491 |
| Prøve | CuO |
| Masse af prøve | 29.975 mg |
| Digel | Al2O3 åben |
| Ovn | SiC |
| Prøveholder | TGA-plade P |
| Tilbehør | H₂Sikker-boks,H2-generator |
Rensning 1 | H2 (150 ml/min) |
Rensning 2 | Ar (150 ml/min) |
Rensning 3 | Syntetisk luft (150 ml/min) |
Beskyttende | Ar (20 ml/min) |
1 Eksperimenterne blev udført med den tidligere version (STA 449) af instrumentet i STA 509-serien, som er fuldt kompatibel med den nuværende version og giver sammenlignelig nøjagtighed og resultatkvalitet.
Figur 1 viser de opnåede TGA-resultater. Resultaterne viser systemets reversibilitet med gradvise kinetiske ændringer observeret over successive cyklusser.
Disse resultater diskuteres i de følgende trin.
1. Indledende opvarmning:
Prøven blev opvarmet til 500 °C under en beskyttende argonatmosfære (Purge 2 og Protective).
2. Reduktionsfase:
- Når den isotermiske tilstand var stabiliseret, blev 100 %H2 (Purge 1) introduceret i 5 minutter.
- Reduktionen af CuO til metallisk Cu skete hurtigt, hvilket resulterede i en massestabilisering på 79,9 %.
- Massetabet på 20,1 % svarede til den teoretiske værdi på 20,11 %, hvilket bekræftede en fuldstændig reduktion til rent metallisk Cu-pulver.
3. Overgang til OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation:
- Efter reduktionen blev spulegassen skiftet til argon (Purge 2) for at fjerne H₂ fra ovnen/instrumentet i 5 minutter.
- Dette sikrede et sikkert skift til syntetisk luft til oxidationstrinnet.
4. Oxidationsfasen:
- Derefter blev syntetisk luft (Purge 3) introduceret i 60 minutter.
- TGA-signalet ændrede sig løbende.
- Der blev observeret en gradvis masseforøgelse, men masseforøgelsen nåede 19,0 % i stedet for det tab på 20,1 %, der blev set i den første cyklus, hvilket indikerer ufuldstændig OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation.
Cyklusser
- Reduktion
Reduktionen til metallisk Cu var komplet i alle cyklusser og opnåede den samme stabiliserede masse på 79,9 %, hvilket indikerer en konsekvent reduktionsydelse med 100 % brint. - OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.Oxidation
OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.Oxidation viste en faldende tendens med successive cyklusser: fra oprindeligt 20,1 % til 19,0 % og derefter til 18,2 %. Dette fald tyder på overfladepassivering eller partikelagglomeration, som kan hæmme fuldstændig OxidationOxidation kan beskrive forskellige processer i forbindelse med termisk analyse.oxidation over tid og ændre reaktionens kinetiske mekanisme. Denne ændring indikeres af ændringer i kurvens form og den samlede masseændring mellem den første og den følgende oxidationscyklus.
Resultaterne af dette eksperiment fremhæver den reversible karakter af CuO/Cu-redoxreaktionen
CuO +H2 ↔ Cu +H2O
og demonstrerer overfladepassiveringens indvirkning på reaktionskinetikken, især under oxidationstrinnet. Disse resultater er afgørende for at forstå materialets opførsel under cykliske redoxforhold med konsekvenser for katalytiske anvendelser og energilagring.
Sammenfatning
NETZSCH STA 509 Jupiter® i kombination medH₂Sikker-boksenudgør et kraftfuldt værktøj til brintforskning. Systemet er designet til at analysere redoxreaktioner ved høj temperatur under kontrollerede atmosfærer, herunder brintrige og blandede gasser. Dets avancerede funktioner sikrer sikkerhed og pålidelighed under eksperimenter, samtidig med at det understøtter en lang række anvendelser, herunder undersøgelse af reduktions-oxidationscyklusser, optimering af katalytiske processer og forbedring af brintbaserede teknologier inden for metallurgi og energilagring. Ved at give præcis indsigt i reaktionskinetik, FaseovergangeUdtrykket faseovergang (eller faseændring) bruges oftest til at beskrive overgange mellem fast, flydende og gasformig tilstand.faseovergange og materialestabilitet gør STA 509-serien det muligt for forskere at forbedre effektiviteten og opnåeligheden i industrielle og materielle anvendelser, hvilket fremmer innovation i brintdrevne processer.