Εισαγωγή
Η αναγωγή της σκόνης οξειδίου του χαλκού (CuO) σε μεταλλικό χαλκό (Cu) με τη χρήση αερίου υδρογόνου είναι μια γνωστή αντίδραση οξειδοαναγωγής που παίζει σημαντικό ρόλο τόσο στην έρευνα όσο και στις βιομηχανικές εφαρμογές. Τεχνικά, η διαδικασία αυτή χρησιμοποιείται σε τομείς όπως η μεταλλουργία σκόνης, η παρασκευή καταλυτών και τα ηλεκτρονικά υλικά, όπου απαιτείται ελεγχόμενη αναγωγή των οξειδίων των μετάλλων για τη λήψη μετάλλων υψηλής καθαρότητας με προσαρμοσμένες μικροδομές. Επιπλέον, οι διεργασίες αναγωγής με βάση το υδρογόνο διερευνώνται όλο και περισσότερο ως βιώσιμες εναλλακτικές λύσεις σε σχέση με τις μεταλλουργικές διεργασίες με βάση τον άνθρακα, καθώς μπορούν να μειώσουν σημαντικά τις εκπομπές CO₂.
Η μελέτη αυτής της αντίδρασης με ταυτόχρονη θερμική ανάλυση (STA), η οποία συνδυάζει τη θερμοβαρυμετρία (TGA) και τη διαφορική θερμιδομετρία σάρωσης (DSC), είναι ιδιαίτερα σημαντική. Η STA επιτρέπει την ακριβή παρακολούθηση της απώλειας μάζας που σχετίζεται με την απελευθέρωση οξυγόνου κατά την αναγωγή, ενώ ταυτόχρονα ανιχνεύει τις θερμικές επιδράσεις.
Η παρούσα μελέτη, που πραγματοποιήθηκε με το STA Jupiter®, όχι μόνο παρακολούθησε την αναγωγή του CuO σε Cu, αλλά και απέδειξε την καθαρότητα της παραγόμενης σκόνης χαλκού, μέσω περαιτέρω θέρμανσης στη θερμοκρασία τήξης του χαλκού.
Συνθήκες μέτρησης
Οι συνθήκες μέτρησης περιγράφονται λεπτομερώς στον πίνακα 1.
Πίνακας 1: Συνθήκες μέτρησης
| Όργανο | STA Jupiter® |
|---|---|
| Φούρνος | Πλατίνα |
| Φορέας δείγματος | TG-DSC, τύπος S |
| Μάζα δείγματος | 5.11 mg |
| Χωνευτήρι | Pt με επένδυση Al2O3 και διάτρητο καπάκι |
| Ατµόσφαιρα | Ar 95% + υδρογόνο 5% |
| Ροή αερίου | 70 ml/min |
| Πρόγραμμα θερμοκρασίας | RT - 1150°C |
| Ρυθμός θέρμανσης | 20 K/min |
Αποτελέσματα και συζήτηση
Στο σχήμα 1, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα TGA-DSC της αναγωγής του χαλκού υπό ατμόσφαιρα που περιέχει υδρογόνο. Η καμπύλη TGA εντόπισε απώλεια μάζας 20,1% μεταξύ 150°C και 350°C με κορυφή στο ρυθμό απώλειας μάζας (DTG) στους 316°C. Το φαινόμενο συνοδεύτηκε από ένα εξώθερμο φαινόμενο με κορυφές στους 276°C και 334°C και συνολική ενθαλπία 873 J/g. Η απώλεια μάζας ήταν ακριβώς ίση με την αναμενόμενη τιμή που προέκυψε από στοιχειομετρικούς υπολογισμούς:
CuO +H2 → Cu +H2O
79.5 g/mol 2 g/mol 63,5 g/mol 18 g/mol
Περαιτέρω θέρμανση οδήγησε σε σταθερή μάζα και σε ενδόθερμο φαινόμενο το οποίο - λόγω της χαμηλής απόκλισης - μπορεί να αποδοθεί στην τήξη του Cu, με σημείο τήξης που είναι γνωστό από τη βιβλιογραφία ότι είναι 1084,6°C. Η προεκτιμώμενη θερμοκρασία έναρξης βρέθηκε στους 1082,3 °C. Το δείγμα μεταβλήθηκε οπτικά από μαύρη σκόνη σε κόκκινα συσσωματώματα- βλέπε σχήμα 2.
Περίληψη
Η στιβαρή σειρά STA Jupiter® επιτρέπει - σε μία μόνο, καλά ελεγχόμενη μέτρηση υπό ατμόσφαιραπου περιέχει Η2- την ακριβή καταγραφή του πλήρους μετασχηματισμού CuO → Cu και, μόλις σχηματιστεί ο μεταλλικός χαλκός, τον προσδιορισμό του σωστού σημείου τήξης στους 1084°C περίπου στο ίδιο πείραμα. Για την έρευνα της μεταλλουργίας σκόνης, αυτές οι δυνατότητες μεταφράζονται άμεσα σε πρακτικά πλεονεκτήματα: ταχεία διαλογή σκονών οξειδίων και πρόσθετων, βελτιστοποίηση των χρονοδιαγραμμάτων αναγωγής και σημεία ρύθμισης του κλιβάνου με την ανάγκη μόνο για small ποσότητες δειγμάτων στην κλίμακα των mg.