Hidrogén: A tiszta energiára való áttérés egyik fő mozgatórugója
Bevezetés
A hidrogén a tiszta energiára való áttérés élvonalában áll, szénmentes ipari folyamatokat mozgat, és támogatja a megújuló energiaforrások integrációját. Sokoldalúsága az előállítás, tárolás és felhasználás terén kiemeli a fenntartható energiarendszerek sarokköveként betöltött szerepét. A közelmúltban végzett, fejlett termikus elemzési technikákat hasznosító kutatások feltárták a hidrogén széleskörű alkalmazási lehetőségeit, beleértve a hidrogén szerepét a termelési technológiákban, a kohászati folyamatokban, a termokémiai energiatárolásban és az innovatív redukciós/OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs ciklusokban. Ezek az előrelépések kiemelik a hidrogén átalakító hatását az energetikára és az anyagtudományra.
Az egyik példa erre a termogravimetrikus analízis (TGA) alkalmazása fémoxidok/fémek redukciós/OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs ciklusainak tanulmányozására a szén-dioxid-semleges energetikai alkalmazások érdekében. Tanulmányok [Chen et al., 2024; Cerciello et al., 2024] kimutatták, hogy a hidrogénnel ellenőrzött atmoszférában végzett ismételt redukciós/OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs ciklusok olyan szerkezeti változásokhoz vezethetnek, amelyek befolyásolják a reaktivitást. E dolgozatok eredményei betekintést nyújtanak a nem IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus és IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus körülmények között bekövetkező szerkezeti változásokba, feltárva a hőmérséklet és a gázösszetétel reakciókinetikára gyakorolt hatását. A termokémiai energiatárolás területén a Cu2OCuO-vá történő OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs kinetikáját elemezték [Jahromy et al., 2019].
Műszerek
Ebben az alkalmazási megjegyzésben a NETZSCH STA 509 sorozathoz készült új fejlesztéseink képességeit igyekszünk bemutatni. Ezeket a fejlett hidrogénkutatás támogatására terveztük, segítve a reverzibilis redoxireakciók során bekövetkező kinetikai változások vizsgálatát. A rendszert úgy terveztük, hogy 100%-os hidrogén atmoszférában végzett kísérleteket tudjon kezelni, így kezelve a hidrogén gyúlékonysági kockázataival kapcsolatos kihívásokat 1600°C-ig terjedő hőmérsékleten.
Az egyik legfontosabb újítás a H₂Secure rendszer integrálása az STA eszközökbe, amely akár 100%-os H₂ atmoszférában is biztonságos működést biztosít. Ez magában foglal egy központi vezérlődobozt a gázszabályozáshoz, valós idejűH2 és O2 felügyeletet, valamint egy hibabiztos mechanizmust, amely meghibásodás esetén a hidrogént inert gázzal tisztítja ki. Az optimalizált gázáramlási útvonal biztosítja a gáz atmoszféra ellenőrzött eloszlását a minta felett. Egy belső nyomásérzékelő lehetővé teszi a túlnyomáshatárok felügyeletét a kemencében és a mérőkamrákban. Ez a képesség lehetővé teszi a véletlen szivárgás kialakulásának észlelését a kísérletek során, biztosítva a fokozott biztonságot és a rendszer integritását.
Kísérleti eredmények és megbeszélés
A tanulmányban szereplő példa a rézoxid (CuO) és a réz (Cu) reverzibilis redoxireakcióját mutatja be ellenőrzött körülmények között. Ciklusok sorozatát végeztük 500°C-on, 100%H2-t használva redukcióhoz és szintetikus levegőt (21% O2) OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációhoz.
A főbb mérési paramétereket az 1. táblázat tartalmazza.
Táblázat: Mérési paraméterek
| Műszer | STA 4491 |
| Minta | CuO |
| A minta tömege | 29.975 mg |
| Tégely | Al2O3 nyitott |
| Kemencében | SiC |
| Mintahordozó | TGA lemez P |
| Tartozékok | H2SecureBox,H2 generátor |
Tisztító 1 | H2 (150 ml/perc) |
Öblítés 2 | Ar (150 ml/min) |
Tisztítás 3 | Szintetikus levegő (150 ml/perc) |
Védő | Ar (20 ml/perc) |
1 A kísérleteket az STA 509 sorozatú műszer korábbi verziójával (STA 449) végeztük, amely teljes mértékben kompatibilis a jelenlegi verzióval, és hasonló pontosságot és eredményminőséget biztosít.
Az 1. ábra mutatja a kapott TGA eredményeket. Az eredmények a rendszer reverzibilitását mutatják, az egymást követő ciklusok során fokozatos kinetikai változások figyelhetők meg.
Ezeket az eredményeket a következő lépésekben tárgyaljuk.
1. Kezdeti melegítés:
A mintát 500 °C-ra melegítettük védő argon légkörben (Purge 2 és Protective).
2. Redukciós fázis:
- Miután az IzotermikusAz ellenőrzött és állandó hőmérsékleten végzett vizsgálatokat izotermikusnak nevezzük.izotermikus állapot stabilizálódott, 5 percre 100%H2-t (Purge 1) vezettünk be.
- A CuO redukciója fémes Cu-vá gyorsan lezajlott, ami 79,9%-os tömegstabilizációt eredményezett.
- A 20,1%-os tömegveszteség megfelelt az elméleti 20,11%-os értéknek, ami megerősítette a teljes redukciót tiszta fémes Cu porrá.
3. Átmenet az OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációba:
- A redukció után a tisztítógázt argonra váltottuk (Purge 2), hogy a H₂-t 5 percre eltávolítsuk a kemencéből/műszerből.
- Ez biztosította a szintetikus levegőre való biztonságos átállást az OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs lépéshez.
4. OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.Oxidációs fázis:
- Ezt követően 60 percre szintetikus levegőt (Purge 3) vezettünk be.
- A TGA-jel folyamatosan változott.
- Fokozatos tömegnövekedés volt megfigyelhető, de az első ciklusban tapasztalt 20,1%-os veszteség helyett a tömeggyarapodás elérte a 19,0%-ot, ami a nem teljes OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációra utal.
Ciklusok
- Redukció
A redukció a fémes Cu-ra minden ciklusban teljes volt, és ugyanazt a stabilizált 79,9%-os tömeget érte el, ami 100%-os hidrogénnel történő konzisztens redukciós teljesítményt jelez. - Oxidáció
Az oxidáció csökkenő tendenciát mutatott az egymást követő ciklusok során: a kezdeti 20,1%-ról 19,0%-ra, majd 18,2%-ra. Ez a csökkenés a felületi passziválásra vagy a részecskék agglomerálódására utal, ami idővel gátolhatja a teljes OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációt és megváltoztathatja a reakció kinetikai mechanizmusát. Ezt a változást a görbe alakjának és a teljes tömegváltozásnak a megváltozása jelzi az első és a következő OxidációAz oxidáció különböző folyamatokat írhat le a termikus analízissel összefüggésben.oxidációs ciklusok között.
A kísérlet eredményei rávilágítanak a CuO/Cu redoxireakció reverzibilis jellegére
CuO +H2 ↔ Cu +H2O
és bizonyítják a felületi passziválás hatását a reakció kinetikájára, különösen az oxidációs lépés során. Ezek az eredmények döntő fontosságúak az anyag ciklikus redoxi körülmények közötti viselkedésének megértéséhez, ami a katalitikus és energiatároló alkalmazások szempontjából is fontos.
Összefoglaló
A NETZSCH STA 509 Jupiter® aH2Securebox-szal kombinálva hatékony eszköz a hidrogénkutatáshoz. A rendszert magas hőmérsékletű redoxireakciók elemzésére tervezték ellenőrzött atmoszférában, beleértve a hidrogénben gazdag és kevert gázokat is. Fejlett jellemzői biztosítják a biztonságot és megbízhatóságot a kísérletek során, miközben az alkalmazások széles körét támogatják, beleértve a redukciós-oxidációs ciklusok tanulmányozását, a katalitikus folyamatok optimalizálását, valamint a hidrogénalapú technológiák fejlesztését a kohászatban és az energiatárolásban. Azáltal, hogy pontos betekintést nyújt a reakciók kinetikájába, a fázisátmenetekbe és az anyagstabilitásba, az STA 509 sorozat lehetővé teszi a kutatók számára, hogy növeljék a hatékonyságot és az elérhetőséget az ipari és anyagi alkalmazásokban, előmozdítva az innovációt a hidrogénvezérelt folyamatokban.