| Published: 

Παραγωγή υδρογόνου με θερμοχημική διάσπαση νερού

Εισαγωγή

Η θερμοχημική διάσπαση του νερού είναι μια διαδικασία που χρησιμοποιείται για την παραγωγή υδρογόνου χρησιμοποιώντας θερμότητα υψηλής θερμοκρασίας (500°C έως 2000°C) και μια σειρά χημικών αντιδράσεων. Οι χημικές ουσίες που χρησιμοποιούνται στη διαδικασία επαναχρησιμοποιούνται σε κάθε κύκλο, δημιουργώντας έναν κλειστό κύκλο που καταναλώνει μόνο νερό και παράγει υδρογόνο και οξυγόνο. Έτσι, η θερμοχημική παραγωγή υδρογόνου είναι μια φιλική προς το περιβάλλον εναλλακτική λύση σε σχέση με τα συστήματα παραγωγής υδρογόνου που βασίζονται σε ορυκτά καύσιμα [1].

1) Σχηματική ακολουθία μιας διεργασίας ηλιοθερμικού κύκλου που απεικονίζεται με την κυκλική οξείδωση/αντίδραση ενός οξειδίου μετάλλου με διάσπαση του νερού σε οξυγόνο και υδρογόνο

Συνθήκες μέτρησης

Για τη διερεύνηση της θερμοχημικής διάσπασης του νερού στο LSC20 (La0.8Sr0.2CoO3), πραγματοποιήθηκαν θερμοβαρυτικές μετρήσεις (TGA) με τη χρήση του NETZSCH STA 449 F3 Jupiter® . Για την υποστηρικτική ερμηνεία, ο θερμικός αναλυτής συνδυάστηκε επιπλέον με το φασματόμετρο μαζών NETZSCH QMS Aëolos® Quadro τετραπόλου. Στον πίνακα 1 παρατίθεται λεπτομερής καταγραφή των ακριβών συνθηκών μέτρησης.

Πίνακας 1: Παράμετροι μέτρησης

ΠαράμετροςΘερμοχημική διάσπαση νερού στο LSC20
ΣυσκευήSTA 449 F3 Jupiter®
ΑξεσουάρΚλίβανος νερού-ατμού και γεννήτρια ατμών
Φορέας δείγματοςTGA, τύπος S
ΧωνευτήριΠλάκα TGA από Al2O3 με διάμετρο 17 mm
Βάρος δείγματος215.46 mg δείγματος σε σκόνη)
Πρόγραµµα µέτρησης

RT έως 1200°C, 15 K/min, 4%H2 σε αργό

ισόθερμη 90 λεπτών στους 1200°C, 4%H2 σε αργό

1200°C έως 600°C, 15 K/min, 4%H2 σε αργό

30 λεπτά ισόθερμη @ 600°C, αργό

60 λεπτά ισόθερμη @ 600°C, 33%H2Oσε αργό

30 λεπτά ισόθερμη @ 600 °C, αργό

Αποτελέσματα και συζήτηση

Στο πρώτο στάδιο της έρευνας, η LSC20 ενεργοποιήθηκε με τη χρήση αναγωγικής ατμόσφαιρας (4%H2 σε αργό). Με τον τρόπο αυτό, το υλικό του δείγματος παρουσιάζει έντονη απώλεια μάζας -11,0%. Επιπλέον, η κατανάλωση υδρογόνου (αριθμός μάζας 2) με ταυτόχρονη απελευθέρωση νερού (αριθμός μάζας 18) μπορεί να παρατηρηθεί σαφώς μέσω του ταυτόχρονα συνδεδεμένου φασματογράφου μάζας (βλέπε μπλε και μαύρες καμπύλες στο σχήμα 2).

Η πραγματική θερμοχημική διάσπαση του νερού πραγματοποιείται στο δεύτερο μέρος της έρευνας. Για το σκοπό αυτό, το δείγμα ψύχθηκε στους 600°C και στη συνέχεια εκτέθηκε σε ατμόσφαιρα αερίου που περιέχει νερό (33%H2Oσε αργό). Αυτό είχε ως αποτέλεσμα μια οξειδωτικά επαγόμενη αύξηση της μάζας κατά 7,4% με ταυτόχρονη απελευθέρωση υδρογόνου (βλέπε αριθμό μάζας 2 στο σχήμα 2). Με βάση τις απότομες αλλαγές στην καμπύλη μάζας καθώς και στην καμπύλη ρεύματος Ionic του φασματογράφου μάζας, μπορεί να διαπιστωθεί ότι η διάσπαση του νερού είναι μια διαδικασία πολλών σταδίων- αυτό υποδηλώνει μια άμεση επιφανειακή αντίδραση ως αρχικό βήμα αντίδρασης καθώς και μια αντίδραση ελεγχόμενη από διάχυση στην περαιτέρω πορεία.

2) Θερμοχημικό κύλινδρο διάσπασης νερού του La0.8Sr0.2CoO3

Περίληψη

Η έννοια της πλατφόρμας του NETZSCH STA 449 F3 Jupiter® παρέχει μια εξαιρετική βάση για την αναπαραγωγή περίπλοκων θερμικών διεργασιών και φαινομένων. Στο παράδειγμα που παρουσιάζεται, αναπαράχθηκε με επιτυχία μια στοχευμένη διερεύνηση μιας θερμοχημικής αντίδρασης διάσπασης νερού με τη χρήση ενός ειδικά σχεδιασμένου φούρνου υδρατμών και μιας γεννήτριας ατμού.

Σε αυτό το παράδειγμα, όχι μόνο μετρήθηκαν με ακρίβεια οι μεταβολές του βάρους (βαρυμετρική καταγραφή), αλλά αναλύθηκαν και ερμηνεύτηκαν οι διεργασίες που λαμβάνουν χώρα κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Αυτό επιτεύχθηκε με τη χρήση συζευγμένης φασματομετρίας μάζας για την εξέταση των αερίων που απελευθερώθηκαν κατά τη διάρκεια της αντίδρασης.

Ο συνδυασμός αυτών των οργάνων - STA, κλίβανος υδρατμών, ατμογεννήτρια και συζευγμένο φασματόμετρο μάζας - δημιουργεί μια ιδανική διάταξη για τον ολοκληρωμένο χαρακτηρισμό των συνεχιζόμενων αντιδράσεων που εμπλέκονται στη θερμοχημική διάσπαση του νερού.

Literature

  1. [1]
    Wasserstoff als ein Fundament der Energiewende Teil 1: Technologien und Perspektiven für eine nachhaltige und ökonomische Wasserstoffversorgung, DLR, Institut für Solarforschung, 2020 https://elib.dlr.de/137796/