05.05.2026 by Aileen Sammler
Η θερμοβαρυμετρία συναντά το υδρογόνο (Μέρος 3): Cu και CuO σε ατμόσφαιρα υδρογόνου
Μάθετε πώς οι κυκλικές αντιδράσεις οξειδοαναγωγής του CuO/Cu μπορούν να αναλυθούν με ένα TGA NETZSCH για την αξιολόγηση των μηχανισμών αντίδρασης, της αντιστρεψιμότητας και της μακροπρόθεσμης σταθερότητας του υλικού.
Η θερμοβαρυμετρία συναντά το υδρογόνο
Το υδρογόνο αποτελεί βασικό δομικό στοιχείο για τη βιώσιμη ενέργεια και τις διεργασίες, ιδίως σε υψηλές θερμοκρασίες και στην ανάπτυξη υλικών.
Στο Μέρος 1 της σειράς ιστολογίων μας "Η θερμοβαρυμετρία συναντά το υδρογόνο", παρουσιάσαμε τις βασικές αρχές της θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης συμβατής με το υδρογόνο και εξηγήσαμε γιατί οι ελεγχόμενες ατμόσφαιρες υδρογόνου είναι απαραίτητες για τη μελέτη υλικών που σχετίζονται με το υδρογόνο.
Στο Μέρος 2, επικεντρωθήκαμε στην αναγωγή του Fe2O3 υπό διαφορετικές συγκεντρώσειςH2.
Σε αυτό το Μέρος 3, γίνεται το επόμενο βήμα για την εφαρμογή της ίδιας μεθοδολογίας σε ένα σύστημα οξειδίων μετάλλων με καλά καθορισμένα μονοπάτια αντίδρασης: το οξειδοαναγωγικό ζεύγος CuO/Cu. Αυτό το παράδειγμα δείχνει σαφώς πώς η θερμοβαρυτομετρική ανάλυση υπό υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την αξιολόγηση της μακροχρόνιας σταθερότητας οξειδοαναγωγής, της αντιστρεψιμότητας και των επιδράσεων αποικοδόμησης υπό συνθήκες σχετικές με την εφαρμογή.
Γιατί το CuO/Cu είναι μια ισχυρή αναφορά
Τα οξειδοαναγωγικά οξείδια μετάλλων έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως ως πρότυπα υλικά στην έρευνα για το υδρογόνο. Το νέο μας σημείωμα εφαρμογής καταδεικνύει την καθιερωμένη κυκλική οξειδοαναγωγική συμπεριφορά του συστήματος οξειδίου του χαλκού (CuO/Cu) υπό συνθήκες υδρογόνου.
Η βαθμιαία αναγωγή και οξείδωση των οξειδίων του χαλκού περιγράφεται εκτενώς στη βιβλιογραφία και χρησιμοποιείται συχνά ως σύστημα αναφοράς σε μελέτες για τη χημική ανακύκλωση, την αποθήκευση ενέργειας και τις θερμοχημικές διεργασίες.
Οι δημοσιευμένες εργασίες αναδεικνύουν τον τρόπο με τον οποίο η επαναλαμβανόμενη ανακύκλωση οξειδοαναγωγής μπορεί να οδηγήσει σε δομικές αλλαγές και τροποποιημένη κινητική τόσο υπό ισόθερμες όσο και υπό μη ισόθερμες συνθήκες (π.χ. Chen et al., 2024- Cerciello et al., 2024), καθώς και την κινητική οξείδωσης υλικών με βάση τον χαλκό(Jahromy et al., 2019).
Τα χρησιμοποιούμενα όργανα NETZSCH
Όλα τα πειράματα που περιγράφονται στη μελέτη πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του NETZSCH STA 509 Jupiter® σε συνδυασμό με το H₂Secure safety box.
Αυτή η διαμόρφωση επιτρέπει την ασφαλή λειτουργία σε ατμόσφαιρες υδρογόνου, εξασφαλίζοντας παράλληλα σταθερές και αναπαραγώγιμες πειραματικές συνθήκες κατά την επαναλαμβανόμενη εναλλαγή αερίων.
Η διάταξη υποστηρίζει:
- Καθορισμένη ροή αερίου προς το δείγμα
- Συνεχή παρακολούθηση των συνθηκών της διεργασίας
- Αυτοματοποιημένη εκκαθάριση με αδρανές αέριο για τη διατήρηση ασφαλών σεναρίων
- Παρακολούθηση της πίεσης για την πρόληψη μη φυσιολογικών συνθηκών λειτουργίας.
Αυτό καθιστά το σύστημα ιδιαίτερα κατάλληλο για μακροχρόνια πειράματα ανακύκλωσης οξειδοαναγωγής.
Τι δείχνει το πείραμα: Σταθερή αναγωγή, μεταβαλλόμενη οξείδωση
Το πείραμα που παρουσιάζεται ανακυκλώνει το CuO στους 500°C, εναλλάσσοντας μεταξύ:
- 100% υδρογόνο για αναγωγή και
- συνθετικό αέρα (21% O₂) για οξείδωση.
Το θερμοβαρυμετρικό σήμα αποκαλύπτει δύο διαφορετικές συμπεριφορές:
Η αναγωγή παρέμεινε πλήρως αναπαραγώγιμη σε όλους τους κύκλους.
Η απώλεια μάζας κατά την αναγωγή ήταν περίπου 20,1%, η οποία βρίσκεται σε εξαιρετική συμφωνία με τη θεωρητική τιμή 20,11% για την πλήρη αναγωγή του CuO σε μεταλλικό χαλκό. Μετά την αναγωγή, το δείγμα σταθεροποιήθηκε στο 79,9% της μάζας, από κύκλο σε κύκλο.
Η οξείδωση, ωστόσο, μειώθηκε σταδιακά σε διαδοχικούς κύκλους.
Η αύξηση της μάζας που σχετίζεται με την οξείδωση μειώθηκε από 20,1% στον πρώτο κύκλο σε 19,0% και στη συνέχεια σε 18,2%.
Το σημείωμα εφαρμογής υποδηλώνει ότι αυτή η συμπεριφορά μπορεί να αποδοθεί σε επιφανειακά φαινόμενα παθητικοποίησης ή συσσωμάτωσης σωματιδίων, τα οποία περιορίζουν την προσβασιμότητα του οξυγόνου και μειώνουν την πληρότητα της οξείδωσης με την πάροδο του χρόνου.
Τέτοιες λεπτές αλλαγές είναι κρίσιμες για πραγματικές εφαρμογές υδρογόνου. Γίνονται ορατές μόνο μέσω της κυκλικής θερμοβαρυμετρικής ανάλυσης.
Μάθετε περισσότερα στο πλήρες σημείωμα εφαρμογής
👉 Λεπτομερείς πειραματικές συνθήκες, καμπύλες και ερμηνείες είναι διαθέσιμες εδώ:
Γίνετε ειδικοί με τα δωρεάν μαθήματα ηλεκτρονικής μάθησης
Όλα τα βασικά μαθήματα NETZSCH E-Learning είναι δωρεάν! Το περιεχόμενο δημιουργείται από τους ειδικούς μας σε εργαστηριακές μεθόδους, οι οποίοι μοιράζονται μαζί σας τις προσωπικές τους εμπειρίες. Επωφεληθείτε από την ευέλικτη διαδικτυακή μάθηση, πλήρως προσαρμοσμένη στις εκπαιδευτικές σας ανάγκες!