05.05.2026 by Aileen Sammler
熱重量分析と水素の融合（第3部）：水素雰囲気下におけるCuおよびCuOの酸化還元反応の調査
NETZSCH のTGAを用いて、CuO/Cuの循環酸化還元反応を分析し、反応メカニズム、可逆性、および材料の長期安定性を評価する方法について解説します。
熱重量測定と水素
水素は、持続可能なエネルギー技術やプロセス概念において重要な基盤要素であり、特に高温プロセスや材料開発の分野で重要な役割を果たしています。
ブログシリーズ「熱重量測定と水素」の 第1回では、水素対応型熱重量分析の基礎について紹介し、水素関連材料の研究において制御された水素雰囲気がなぜ重要なのかを説明しました。
第2回では、異なる H₂ 濃度条件下での Fe₂O₃ の還元反応に焦点を当てました。
そして第3回となる今回は、反応経路が明確に定義されている金属酸化物系、すなわち CuO/Cu 酸化還元系に同じ手法を適用します。この例では、水素雰囲気下での熱重量分析を用いて、実用条件に近い環境下における長期的な酸化還元安定性、可逆性、および劣化現象をどのように評価できるかを明確に示しています。
なぜCuO/Cuが優れたリファレンスなのか？
酸化還元活性を持つ金属酸化物は、水素研究におけるモデル材料として広く利用されています。本アプリケーションノートでは、銅酸化物系（CuO/Cu）のよく知られた繰り返し酸化還元挙動を、水素雰囲気下で実証しています。
銅酸化物の段階的な還元および酸化反応は、多くの文献で詳細に記述されており、ケミカルルーピング、エネルギー貯蔵、熱化学プロセスに関する研究において、基準系として頻繁に利用されています。
公開されている研究では、等温条件および非等温条件の両方において、繰り返しの酸化還元サイクルが構造変化や反応速度の変化を引き起こす可能性が示されています（例：Chen ら, 2024；Cerciello ら, 2024）。また、銅系材料の酸化反応速度についても報告されています（Jahromy ら, 2019）。
使用したNETZSCHの装置
本研究で説明されているすべての実験は、 NETZSCH STA 509Jupiterと H₂Secure セーフティボックスを組み合わせて実施されました。
この構成により、水素雰囲気下での安全な運転が可能となり、繰り返しのガス切替中でも安定かつ再現性の高い実験条件を維持できます。
このセットアップは、以下をサポートしています。：
- 試料への制御されたガスフロー供給
- プロセス条件の連続監視
- 安全性維持のための自動不活性ガスパージ
- 異常運転状態を防ぐための圧力監視
これにより、本システムは長期間にわたる酸化還元サイクル実験に特に適しています。
実験結果：安定した還元反応と変化する酸化反応
本実験では、500°C において CuO の酸化還元サイクル試験を実施し、以下の条件を交互に切り替えました。：
- 還元：100% 水素雰囲気
- 酸化：合成空気（21% O₂）雰囲気
熱重量測定（TG）信号から、2つの明確な挙動が確認されました。：
還元反応は全サイクルを通じて完全に再現性を維持
還元時の質量減少は約 20.1% であり、CuO が金属銅へ完全還元される際の理論値 20.11% と非常によく一致しました。
また、還元後の試料質量は毎サイクルで 79.9% に安定しており、高い再現性が確認されました。
アプリケーションノートでは、この挙動は表面不動態化や粒子凝集によるものと考えられると示唆されています。これらの現象により酸素へのアクセス性が制限され、時間の経過とともに酸化反応の完結性が低下します。
このような微細な変化は、実際の水素利用アプリケーションにおいて非常に重要です。そして、それらは繰り返し熱重量分析によって初めて可視化することができます。
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