Θερμοβαρυμετρική ανάλυση της οξειδοαναγωγικής αντίδρασης του CuO και του Cu μέσω του H₂Secure Box

Υδρογόνο: Υδρογόνο: Βασικός μοχλός για τη μετάβαση στην καθαρή ενέργεια

Εισαγωγή

Το υδρογόνο βρίσκεται στην πρώτη γραμμή της μετάβασης στην καθαρή ενέργεια, προωθώντας βιομηχανικές διεργασίες χωρίς άνθρακα και υποστηρίζοντας την ενσωμάτωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ευελιξία του στην παραγωγή, την αποθήκευση και τη χρήση αναδεικνύει το ρόλο του ως ακρογωνιαίου λίθου των βιώσιμων ενεργειακών συστημάτων. Πρόσφατες έρευνες που αξιοποιούν προηγμένες τεχνικές θερμικής ανάλυσης αποκάλυψαν το ευρύ δυναμικό εφαρμογών του υδρογόνου, συμπεριλαμβανομένου του ρόλου του σε τεχνολογίες παραγωγής, μεταλλουργικές διεργασίες, θερμοχημική αποθήκευση ενέργειας και καινοτόμους κύκλους αναγωγής/οξείδωσης. Αυτές οι εξελίξεις υπογραμμίζουν τον μετασχηματιστικό αντίκτυπο του υδρογόνου στην ενέργεια και την επιστήμη των υλικών.

Ένα παράδειγμα είναι η χρήση της θερμοβαρυτομετρικής ανάλυσης (TGA) για τη μελέτη κύκλων αναγωγής/οξείδωσης οξειδίων μετάλλων/μετάλλων για εφαρμογές ενέργειας με ουδέτερο ισοζύγιο άνθρακα. Μελέτες [Chen et al., 2024- Cerciello et al., 2024] έχουν δείξει ότι επαναλαμβανόμενοι κύκλοι αναγωγής/οξείδωσης με υδρογόνο σε ελεγχόμενες ατμόσφαιρες μπορούν να οδηγήσουν σε δομικές αλλαγές που επηρεάζουν την αντιδραστικότητα. Τα αποτελέσματα αυτών των εργασιών παρέχουν γνώσεις σχετικά με τις δομικές αλλαγές υπό μη ισοθερμικές και ισοθερμικές συνθήκες, αποκαλύπτοντας την επίδραση της θερμοκρασίας και της σύνθεσης του αερίου στην κινητική της αντίδρασης. Στον τομέα της θερμοχημικής αποθήκευσης ενέργειας, έχει αναλυθεί η κινητική της οξείδωσης του _Cu2Oσε CuO [Jahromy et al., 2019].

Οργανολογία

Σε αυτό το σημείωμα εφαρμογής, επιδιώκουμε να επιδείξουμε τις δυνατότητες των νέων εξελίξεών μας για τη σειρά NETZSCH STA 509. Αυτές έχουν σχεδιαστεί για να υποστηρίζουν την προηγμένη έρευνα υδρογόνου, βοηθώντας στη διερεύνηση των κινητικών αλλαγών κατά τη διάρκεια αντιστρεπτών αντιδράσεων οξειδοαναγωγής. Το σύστημα είναι σχεδιασμένο για να χειρίζεται πειράματα σε ατμόσφαιρα 100% υδρογόνου, αντιμετωπίζοντας τις προκλήσεις των κινδύνων αναφλεξιμότητας του υδρογόνου σε θερμοκρασίες έως 1600°C.

Μια βασική καινοτομία είναι η ενσωμάτωση του συστήματος H₂Secure στις συσκευές STA, εξασφαλίζοντας την ασφαλή λειτουργία σε ατμόσφαιρες έως και 100% H₂. Περιλαμβάνει ένα κεντρικό κιβώτιο ελέγχου για τη ρύθμιση του αερίου, την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο_{του H2} και του _O2, καθώς και έναν μηχανισμό ασφαλείας που καθαρίζει το υδρογόνο με αδρανές αέριο σε περίπτωση δυσλειτουργίας. Μια βελτιστοποιημένη διαδρομή ροής αερίου εξασφαλίζει την ελεγχόμενη κατανομή της ατμόσφαιρας αερίου πάνω στο δείγμα. Ένας εσωτερικός αισθητήρας πίεσης επιτρέπει την παρακολούθηση των ορίων υπερπίεσης εντός του κλιβάνου και των θαλάμων μέτρησης. Αυτή η δυνατότητα επιτρέπει την ανίχνευση τυχαίου σχηματισμού διαρροών κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, εξασφαλίζοντας αυξημένη ασφάλεια και ακεραιότητα του συστήματος.

Πειραματικά αποτελέσματα και συζήτηση

Το παράδειγμα της παρούσας μελέτης αναδεικνύει την αντιστρεπτή οξειδοαναγωγική αντίδραση του οξειδίου του χαλκού (CuO) και του χαλκού (Cu) υπό ελεγχόμενες συνθήκες. Πραγματοποιήθηκε μια σειρά κύκλων στους 500°C με χρήση 100%_H2 για αναγωγή και συνθετικού αέρα (21% _O2) για οξείδωση.

Οι κύριες παράμετροι μέτρησης παρατίθενται στον πίνακα 1.

Πίνακας 1: Παράμετροι μέτρησης

¹ Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με την προηγούμενη έκδοση (STA 449) του οργάνου της σειράς STA 509, η οποία είναι πλήρως συμβατή με την τρέχουσα έκδοση και παρέχει συγκρίσιμη ακρίβεια και ποιότητα αποτελεσμάτων.

Στο Σχήμα 1 παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της TGA που ελήφθησαν. Τα ευρήματα καταδεικνύουν την αντιστρεψιμότητα του συστήματος, με σταδιακές κινητικές αλλαγές που παρατηρούνται κατά τη διάρκεια διαδοχικών κύκλων.

Τα αποτελέσματα αυτά συζητούνται στα επόμενα βήματα.

1. Αρχική θέρμανση:
Το δείγμα θερμάνθηκε στους 500°C υπό προστατευτική ατμόσφαιρα αργού (Purge 2 και Protective).

2. Φάση αναγωγής:

• Μόλις σταθεροποιήθηκε η ισοθερμοκρασιακή κατάσταση, εισήχθη 100%_H2 (Purge 1) για 5 λεπτά.
• Η αναγωγή του CuO σε μεταλλικό Cu πραγματοποιήθηκε γρήγορα, με αποτέλεσμα τη σταθεροποίηση της μάζας στο 79,9%.
• Η απώλεια μάζας 20,1% ταυτίστηκε με τη θεωρητική τιμή 20,11%, επιβεβαιώνοντας την πλήρη αναγωγή σε καθαρή μεταλλική σκόνη Cu.

3. Μετάβαση στην οξείδωση:

• Μετά την αναγωγή, το αέριο καθαρισμού μετατράπηκε σε αργό (Purge 2) για την απομάκρυνση του H₂ από τον κλίβανο/το όργανο για 5 λεπτά.
• Αυτό εξασφάλισε την ασφαλή μετάβαση σε συνθετικό αέρα για το στάδιο της οξείδωσης.

4. Φάση οξείδωσης:

• Στη συνέχεια, εισήχθη συνθετικός αέρας (Purge 3) για 60 λεπτά.
• Το σήμα TGA μεταβαλλόταν συνεχώς.
• Παρατηρήθηκε σταδιακή αύξηση της μάζας, αλλά το κέρδος μάζας έφτασε το 19,0% αντί της απώλειας 20,1% που παρατηρήθηκε στον πρώτο κύκλο, υποδεικνύοντας ατελή οξείδωση.

Κύκλοι

• Αναγωγή
  Η αναγωγή σε μεταλλικό Cu ήταν πλήρης για όλους τους κύκλους, επιτυγχάνοντας την ίδια σταθεροποιημένη μάζα 79,9%, υποδεικνύοντας σταθερή απόδοση αναγωγής με 100% υδρογόνο.
• Οξείδωση
  Η οξείδωση παρουσίασε φθίνουσα τάση με τους διαδοχικούς κύκλους: από αρχικά 20,1% σε 19,0% και στη συνέχεια σε 18,2%. Αυτή η μείωση υποδηλώνει παθητικοποίηση της επιφάνειας ή συσσωμάτωση των σωματιδίων, η οποία μπορεί να εμποδίσει την πλήρη οξείδωση με την πάροδο του χρόνου και να μεταβάλει τον κινητικό μηχανισμό της αντίδρασης. Η αλλαγή αυτή υποδεικνύεται από μεταβολές στο σχήμα της καμπύλης και τη συνολική μεταβολή της μάζας μεταξύ του πρώτου και του επόμενου κύκλου οξείδωσης.

Τα αποτελέσματα αυτού του πειράματος αναδεικνύουν την αντιστρεπτή φύση της οξειδοαναγωγικής αντίδρασης CuO/Cu

CuO +_H2 ↔ Cu +_H2O

και καταδεικνύουν την επίδραση της παθητικοποίησης της επιφάνειας στην κινητική της αντίδρασης, ιδίως κατά το στάδιο της οξείδωσης. Τα ευρήματα αυτά είναι κρίσιμα για την κατανόηση της συμπεριφοράς των υλικών υπό κυκλικές συνθήκες οξειδοαναγωγής, με επιπτώσεις σε καταλυτικές εφαρμογές και εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας.

Περίληψη

Το NETZSCH STA 509 Jupiter^® σε συνδυασμό με το_H₂Securebox αποτελεί ένα ισχυρό εργαλείο για την έρευνα υδρογόνου. Το σύστημα έχει σχεδιαστεί για την ανάλυση αντιδράσεων οξειδοαναγωγής υψηλής θερμοκρασίας υπό ελεγχόμενες ατμόσφαιρες, συμπεριλαμβανομένων των πλούσιων σε υδρογόνο και των μικτών αερίων. Τα προηγμένα χαρακτηριστικά του εξασφαλίζουν ασφάλεια και αξιοπιστία κατά τη διάρκεια των πειραμάτων, ενώ υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσμα εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένης της μελέτης κύκλων αναγωγής-οξείδωσης, της βελτιστοποίησης καταλυτικών διεργασιών και της βελτίωσης τεχνολογιών που βασίζονται στο υδρογόνο στη μεταλλουργία και την αποθήκευση ενέργειας. Παρέχοντας ακριβείς γνώσεις για την κινητική των αντιδράσεων, τις μεταβάσεις φάσης και τη σταθερότητα των υλικών, η σειρά STA 509 επιτρέπει στους ερευνητές να βελτιώσουν την αποδοτικότητα και τη διαθεσιμότητα σε βιομηχανικές και υλικές εφαρμογές, προωθώντας την καινοτομία στις διεργασίες που βασίζονται στο υδρογόνο.