はじめに
熱化学水分解は、高温の熱（500℃～2000℃）と一連の化学反応を利用した水素製造プロセスである。このプロセスで使用される化学薬品は、各サイクルで再利用され、水だけを消費して水素と酸素を生産する閉ループが形成される。このように、熱化学水素製造は、化石燃料ベースの水素製造システムに代わる、環境に優しい方法である[1]。
測定条件
LSC20（La0.8Sr0.2CoO3）の熱化学水分解を調べるため、NETZSCH STA 449F3 Jupiter® を用いて熱重量測定（TGA）を行った。この熱分析装置は、NETZSCH QMSAëolos Quadro四重極質量分析計と組み合わせて使用された。正確な測定条件の詳細については、表1を参照されたい。
表1：測定パラメータ
| 測定パラメータ | LSC20の熱化学水分解 |
|---|---|
| 装置 | STA 449F3 Jupiter® |
| 付属品 | 水蒸気炉および蒸気発生器 |
| サンプルキャリア | TGA、タイプS |
| るつぼ | 直径17 mmのAl2O3製TGAプレート |
| 試料重量 | 215.46 mg 粉末試料） |
| 測定プログラム | RT～1200℃、15 K/分、アルゴン中4%H2 1200℃で90分間の等温測定、アルゴン中4%H2 1200 °C～600°C、15 K/分、アルゴン中4%H2 30 分間等温 @ 600°C、アルゴン中 600 °Cで60分間の等温線、アルゴン中33%H2O 600 °C、アルゴン中で30分間の等温線 |
結果と考察
調査の第一段階として、LSC20を還元性雰囲気（アルゴン中4％H2）で活性化した。これにより、試料は-11.0%の顕著な質量減少を示した。さらに、水素（質量数2）の消費と同時に水（質量数18）の放出が、同時に結合した質量分析計によってはっきりと観察された（図2の青と黒の曲線を参照）。
実際の熱化学的水分解は、調査の後半で行われる。このため、試料を600℃まで冷却し、水を含むガス雰囲気（アルゴン中33％H2O）に曝した。その結果、水素が同時に放出され、酸化的に7.4%の質量増加が生じた（図2の質量数2を参照）。質量曲線の急激な変化と質量分析計の電流曲線（Ionic ）から、水分解は多段階プロセスであることがわかる。これは、初期反応段階としての直接的な表面反応と、その後の過程における拡散制御反応を示唆している。
概要
NETZSCH STA 449F3 Jupiter® のプラットフォームコンセプトは、複雑な熱プロセスや現象を再現するための優れた基盤を提供します。今回紹介する例では、熱化学的水分解反応を対象とし、特注の水蒸気炉と水蒸気発生器を用いて再現することに成功しました。
この例では、重量変化が正確に測定された（重量測定記録）だけでなく、反応中に起こるプロセスも分析され、解釈された。これは、反応中に放出されるガスを調べるために結合質量分析を採用することで達成された。
STA、水蒸気炉、水蒸気発生器、質量分析計を組み合わせることで、熱化学水分解に関わる進行中の反応を包括的に特徴付ける理想的なセットアップが実現した。