Einleitung
Die thermochemische Wasserspaltung beschreibt den Prozess zur Wasserstofferzeugung unter Verwendung von Hochtemperaturwärme (500 °C bis 2000 °C) und einer Reihe von chemischen Reaktionen. Die im Prozess verwendeten Chemikalien werden in jedem Zyklus wiederverwendet, wodurch ein geschlossener Kreislauf entsteht, der nur Wasser verbraucht sowie Wasserstoff und Sauerstoff produziert (siehe Schema in Abbildung 1). Somit stellt die thermochemische Wasserstofferzeugung eine umweltverträgliche Alternative gegenüber den auf fossilen Brennstoffen basierenden Wasserstoffproduktionssystemen dar [1].
Messbedingungen
Zur Untersuchung der thermochemischen Wasserspaltung an LSC20 (La0.8Sr0.2CoO3) wurden thermogravimetrische Messungen (TG) mit der NETZSCH STA 449 F3 Jupiter® durchgeführt. Zur unterstützenden Interpretation wurde der Thermoanalysator zusätzlich mit dem NETZSCH-Quadrupol-Massenspektrometer QMS Aëolos® Quadro gekoppelt. Eine detaillierte Zusammenstellung der genauen Messbedingungen kann der Tabelle 1 entnommen werden.
Tabelle 1: Messparameter
| Parameter | Thermochemische Wasserabspaltung an LSC20 |
|---|---|
| Analysegerät | STA 449 F3 Jupiter® |
| Zubehör | Wasserdampfofen und Dampfgenerator |
| Probenhalter | TG Type S |
| Tiegel | TG-Platte aus Al2O3 mit einem Durchmesser von 17 mm |
| Probeneinwaage | 215,46 mg (in Pulverform) |
| Messprogramm | RT bis 1200 °C, 15 K/min, 4 % H2 in Argon 90 min IsothermUntersuchungen bei geregelter und konstanter Temperatur werden als isotherm bezeichnet.isotherm @ 1200 °C, 4 % H2 in Argon 1200 °C bis 600 °C, 15 K/min, 4 % H2 in Argon 30 min isotherm @ 600 °C, Argon 60 min isotherm @ 600 °C, 33 % H2O in Argon 30 min isotherm @ 600 °C, Argon |
Ergebnisse und Diskussion
Im ersten Schritt der Untersuchung erfolgte die Aktivierung des LSC20 unter Verwendung einer reduzierenden Atmosphäre (4 % H2 in Argon). Dabei zeigt das Probenmaterial einen ausgeprägten Massenverlust von -11.0 %. Des Weiteren kann mittels des simultan gekoppelten Massenspektrometers eindeutig der Verbrauch an Wasserstoff (Massenzahl 2) unter gleichzeitiger Wasserfreisetzung (Massenzahl 18) beobachtet werden.
Die eigentliche thermochemische Wasserspaltung findet im zweiten Teil der Untersuchung statt. Hierfür wurde die Probe auf 600 °C abgekühlt und im Anschluss einer wasserhaltigen Gasatmosphäre (33% H2O in Argon) ausgesetzt. Dadurch kommt es zu einer oxidativ bedingten Massenzunahme von 7,4 % unter gleichzeitiger Freisetzung von Wasserstoff (Massenzahl 2). Anhand der sprunghaften Änderungen im Verlauf der Massenkurve wie auch der Ionenstromkurve des Massenspektrometers ist zu erkennen, dass die Wasserspaltung als mehrstufiger Prozess abläuft und lässt auf eine direkte Oberflächenreaktion als anfänglichen Reaktionsschritt sowie eine diffusionsgesteuerte Reaktion im weiteren Verlauf schließen (Abbildung 2).
Zusammenfassung
Das Plattformkonzept der NETZSCH STA 449 Jupiter®-Serie bietet eine ideale Basis, um komplexe thermische Sachverhalte wiederzugeben. So konnte im hier gezeigten Beispiel unter Verwendung des speziell designten Wasserdampfofens und eines Dampfgenerators eine gezielte Untersuchung der thermochemischen Wasserspaltung wiedergegeben werden. Neben der reinen gravimetrischen Erfassung wurden mittels gekoppelter Massenspektrometrie die ablaufenden Prozesse auch hinsichtlich der freigesetzten Gase analysiert und interpretiert. Somit bietet die angewandte Gerätekombination die perfekte Grundlage für eine thermische Charakterisierung der ablaufenden Reaktionen der thermochemischen Wasserspaltung.