Hidrógeno: Un motor clave en la transición hacia energías limpias
Introducción
El hidrógeno está a la vanguardia de las transiciones hacia energías limpias, impulsando procesos industriales sin carbono y apoyando la integración de las energías renovables. Su versatilidad en la producción, el almacenamiento y la utilización pone de relieve su papel como piedra angular de los sistemas energéticos sostenibles. Recientes investigaciones que aprovechan técnicas avanzadas de análisis térmico han revelado el amplio potencial de aplicación del hidrógeno, incluido su papel en tecnologías de producción, procesos metalúrgicos, almacenamiento termoquímico de energía e innovadores ciclos de reducción/OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación. Estos avances subrayan el impacto transformador del hidrógeno en la energía y la ciencia de los materiales.
Un ejemplo es el uso del análisis termogravimétrico (TGA) para estudiar los ciclos de reducción/OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación de óxidos metálicos/metales para aplicaciones energéticas neutras en carbono. Los estudios [Chen et al., 2024; Cerciello et al., 2024] han demostrado que los ciclos repetidos de reducción/OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación con hidrógeno en atmósferas controladas pueden provocar cambios estructurales que afectan a la reactividad. Los resultados de estos trabajos proporcionan información sobre los cambios estructurales en condiciones isotérmicas y no isotérmicas, revelando el efecto de la temperatura y la composición del gas en la cinética de la reacción. En el campo del almacenamiento termoquímico de energía, se ha analizado la cinética de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación de Cu2Oa CuO [Jahromy et al., 2019].
Instrumentación
En esta nota de aplicación, pretendemos demostrar la capacidad de nuestros nuevos desarrollos para la serie NETZSCH STA 509. Están diseñados para apoyar la investigación avanzada del hidrógeno, ayudando a investigar los cambios cinéticos durante las reacciones redox reversibles. El sistema está diseñado para realizar experimentos en una atmósfera 100% de hidrógeno, lo que permite hacer frente a los riesgos de inflamabilidad del hidrógeno a temperaturas de hasta 1600 °C.
Una innovación clave es la integración del sistema H₂Secure en los dispositivos STA, que garantiza un funcionamiento seguro en atmósferas de hasta el 100% de H₂. Incluye una caja de control centralizada para la regulación del gas, la supervisión del H2 y el O2 en tiempo real y un mecanismo a prueba de fallos que purga el hidrógeno con gas inerte en caso de avería. Una trayectoria optimizada del flujo de gas garantiza una distribución controlada de la atmósfera gaseosa sobre la muestra. Un sensor de presión interno permite controlar los límites de sobrepresión dentro del horno y las cámaras de medición. Esta capacidad permite detectar la formación accidental de fugas durante los experimentos, garantizando una mayor seguridad e integridad del sistema.
Resultados experimentales y debate
El ejemplo de este estudio pone de relieve la reacción redox reversible del óxido de cobre (CuO) y el cobre (Cu) en condiciones controladas. Se realizaron una serie de ciclos a 500°C utilizando 100% H2 para la reducción y aire sintético (21% O2) para la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación.
Los principales parámetros de medición se enumeran en la tabla 1.
Tabla 1: Parámetros de medición
| Instrumento | STA 4491 |
| Muestra | CuO |
| Masa de la muestra | 29.975 mg |
| Crisol | Al2O3 abierto |
| Horno | SiC |
| Portamuestras | Placa TGA P |
| Accesorios | Caja H₂Seguro, Generador H2 |
Purga 1 | H2 (150 ml/min) |
Purga 2 | Ar (150 ml/min) |
Purga 3 | Aire sintético (150 ml/min) |
Protección | Ar (20 ml/min) |
1 Los experimentos se realizaron utilizando la versión anterior (STA 449) del instrumento de la serie STA 509, que es totalmente compatible con la versión actual y proporciona una precisión y una calidad de resultados comparables.
La figura 1 muestra los resultados TGA obtenidos. Los resultados demuestran la reversibilidad del sistema, observándose cambios cinéticos graduales a lo largo de ciclos sucesivos.
Estos resultados se analizan en los pasos siguientes.
1. Calentamiento inicial:
La muestra se calentó a 500 °C bajo una atmósfera protectora de argón (Purga 2 y Protector).
2. Fase de reducción:
- Una vez estabilizada la condición IsotérmicoLos ensayos a temperatura controlada y constante se denominan isotérmicos.isotérmica, se introdujo H2 al 100% (Purga 1) durante 5 minutos.
- La reducción de CuO a Cu metálico se produjo rápidamente, dando lugar a una estabilización de masa del 79,9%.
- La pérdida de masa del 20,1% coincidió con el valor teórico del 20,11%, confirmando la reducción completa a polvo de Cu metálico puro.
3. Transición a la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación:
- Tras la reducción, el gas de purga se cambió a argón (Purga 2) para eliminar el H₂ del horno/instrumento durante 5 minutos.
- Esto garantizó el cambio seguro a aire sintético para la etapa de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación.
4. Fase de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación:
- A continuación, se introdujo aire sintético (Purga 3) durante 60 minutos.
- La señal TGA cambiaba continuamente.
- Se observó un aumento gradual de la masa, pero la ganancia de masa alcanzó el 19,0% en lugar de la pérdida del 20,1% observada en el primer ciclo, lo que indicaba una OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación incompleta.
Ciclos
- Reducción
La reducción a Cu metálico fue completa en todos los ciclos, alcanzándose la misma masa estabilizada del 79,9%, lo que indica un rendimiento de reducción constante con hidrógeno al 100%. - OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.Oxidación
La OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación mostró una tendencia decreciente con los ciclos sucesivos: del 20,1% inicial al 19,0% y después al 18,2%. Este descenso sugiere pasivación superficial o aglomeración de partículas, que puede inhibir la OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación completa con el tiempo y alterar el mecanismo cinético de la reacción. Este cambio viene indicado por alteraciones en la forma de la curva y el cambio de masa total entre el primer ciclo de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación y los siguientes.
Los resultados de este experimento ponen de manifiesto la naturaleza reversible de la reacción redox CuO/Cu
CuO + H2 ↔ Cu + H2O
y demuestran el impacto de la pasivación superficial en la cinética de la reacción, particularmente durante la etapa de OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación. Estos hallazgos son fundamentales para comprender el comportamiento del material en condiciones redox cíclicas, con implicaciones para aplicaciones catalíticas y de almacenamiento de energía.
Resumen
El NETZSCH STA 509 Jupiter® en combinación con la caja H₂Seguroconstituye una potente herramienta para la investigación del hidrógeno. El sistema está diseñado para analizar reacciones redox a alta temperatura en atmósferas controladas, incluidos gases ricos en hidrógeno y gases mixtos. Sus avanzadas características garantizan la seguridad y fiabilidad de los experimentos y permiten una amplia gama de aplicaciones, como el estudio de los ciclos de reducción-OxidaciónLa oxidación puede describir diferentes procesos en el contexto del análisis térmico.oxidación, la optimización de los procesos catalíticos y la mejora de las tecnologías basadas en el hidrógeno para la metalurgia y el almacenamiento de energía. Al proporcionar información precisa sobre la cinética de las reacciones, las Transiciones de faseEl término transición de fase (o cambio de fase) se utiliza más comúnmente para describir las transiciones entre los estados sólido, líquido y gaseoso.transiciones de fase y la estabilidad de los materiales, la serie STA 509 permite a los investigadores mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de las aplicaciones industriales y materiales, impulsando la innovación en los procesos basados en el hidrógeno.