수소: 청정 에너지 전환의 핵심 동력: 수소
소개
수소는 무탄소 산업 공정을 주도하고 재생 에너지 통합을 지원하는 청정 에너지 전환의 최전선에 서 있습니다. 생산, 저장, 활용에 있어 다재다능한 수소는 지속 가능한 에너지 시스템의 초석으로서 그 역할을 강조합니다. 첨단 열 분석 기술을 활용한 최근 연구에 따르면 생산 기술, 야금 공정, 열화학 에너지 저장, 혁신적인 환원/산화 사이클에서 수소의 역할 등 수소의 광범위한 응용 잠재력이 밝혀졌습니다. 이러한 발전은 에너지 및 재료 과학에 대한 수소의 혁신적인 영향을 강조합니다.
한 가지 예로 열무게 분석(TGA)을 사용하여 탄소 중립 에너지 애플리케이션을 위한 금속 산화물/금속의 환원/산화 사이클을 연구하는 것이 있습니다. 연구[Chen et al., 2024; Cerciello et al., 2024]에 따르면 통제된 대기에서 수소를 사용한 환원/산화 사이클을 반복하면 반응성에 영향을 미치는 구조적 변화가 일어날 수 있습니다. 이 논문들의 결과는 비등온 및 등온 조건에서의 구조 변화에 대한 통찰력을 제공하여 온도와 기체 구성이 반응 동역학에 미치는 영향을 밝혀냈습니다. 열화학 에너지 저장 분야에서는 Cu2O에서CuO로의 산화 동역학이 분석되었습니다[Jahromy et al., 2019].
계측
이 애플리케이션 노트에서는 새로 개발된 STA 509 시리즈( NETZSCH )의 기능을 소개합니다. 이 시스템은 가역 산화 환원 반응 중 동역학 변화를 조사하는 데 도움이 되는 고급 수소 연구를 지원하도록 설계되었습니다. 이 시스템은 100% 수소 분위기에서 실험을 처리하도록 설계되어 최대 1600°C의 온도에서 수소의 인화성 위험 문제를 해결합니다.
핵심 혁신은 최대 100% 수소 분위기에서 안전하게 작동할 수 있도록 H₂Secure 시스템을 STA 장치에 통합한 것입니다. 이 시스템에는 가스 조절을 위한 중앙 집중식 컨트롤 박스, 실시간 H2 및 O2 모니터링, 오작동 시 불활성 가스로 수소를 제거하는 페일 세이프 메커니즘이 포함되어 있습니다. 최적화된 가스 흐름 경로를 통해 시료에 대한 가스 대기의 제어된 분포를 보장합니다. 내부 압력 센서를 통해 퍼니스와 측정 챔버 내의 과압 한계를 모니터링할 수 있습니다. 이 기능을 통해 실험 중 우발적인 누출 형성을 감지할 수 있어 안전성과 시스템 무결성이 향상됩니다.
실험 결과 및 토론
이 연구의 예는 통제된 조건에서 산화 구리(CuO)와 구리(Cu)의 가역적 산화 환원 반응을 강조합니다. 환원에는 100% H2를, 산화에는 합성 공기(21% O2)를 사용하여 500°C에서 일련의 사이클을 수행했습니다.
주요 측정 파라미터는 표 1에 나와 있습니다.
표 1: 측정 매개변수
| 기기 | STA 4491 |
| 샘플 | CuO |
| 시료 질량 | 29.975 mg |
| Crucible | Al2O3 개방 |
| Furnace | SiC |
| 샘플 캐리어 | TGA 플레이트 P |
| 액세서리 | H2보안박스, H2 발생기 |
퍼지 1 | H2 (150ml/min) |
퍼지 2 | Ar (150 ml/min) |
퍼지 3 | 합성 공기(150 ml/min( |
보호 | Ar (20 ml/min) |
1 실험은 현재 버전과 완벽하게 호환되며 비슷한 정확도와 결과 품질을 제공하는 STA 509 시리즈 기기의 이전 버전(STA 449)을 사용하여 수행되었습니다.
그림 1은 얻은 TGA 결과를 보여줍니다. 이 결과는 연속적인 사이클에 걸쳐 점진적인 운동 변화가 관찰되는 시스템의 가역성을 보여줍니다.
이러한 결과는 다음 단계에서 설명합니다.
1. 초기 가열:
샘플을 보호용 아르곤 분위기에서 500°C로 가열했습니다(퍼지 2 및 보호).
2. 환원 단계:
- 등온 조건이 안정화되면 100% H2 (퍼지 1)를 5분 동안 주입했습니다.
- CuO가 금속 Cu로 빠르게 환원되어 질량이 79.9%로 안정화되었습니다.
- 20.1%의 질량 손실은 이론적 값인 20.11%와 일치하여 순수한 금속 Cu 분말로 완전히 환원되었음을 확인했습니다.
3. 산화로 전환:
- 환원 후 퍼지 가스를 아르곤(퍼지 2)으로 전환하여 5분 동안 퍼니스/기기에서 H₂를 제거했습니다.
- 이를 통해 산화 단계를 위해 합성 공기로 안전하게 전환할 수 있었습니다.
4. 산화 단계:
- 그 후 60분 동안 합성 공기(퍼지 3)를 도입했습니다.
- TGA 신호는 지속적으로 변화했습니다.
- 점진적인 질량 증가가 관찰되었지만 첫 번째 사이클에서 보였던 20.1%의 손실 대신 19.0%에 도달하여 불완전한 산화를 나타냅니다.
사이클
- 환원
금속 Cu로의 환원은 모든 사이클에서 완료되어 79.9%의 동일한 안정화된 질량을 달성하여 100% 수소로 일관된 환원 성능을 나타냈습니다. - 산화
산화는 초기 20.1%에서 19.0%, 18.2%로 사이클이 거듭될수록 감소하는 추세를 보였습니다. 이러한 감소는 시간이 지남에 따라 완전한 산화를 억제하고 반응의 운동 메커니즘을 변경할 수 있는 표면 패시베이션 또는 입자 응집을 시사합니다. 이러한 변화는 곡선 모양의 변화와 첫 번째와 다음 산화 주기 사이의 총 질량 변화로 나타납니다.
이 실험의 결과는 CuO/Cu 산화 환원 반응의 가역적 특성을 강조합니다
CuO + H2 ↔ Cu + H2O
의 가역성을 강조하고 특히 산화 단계에서 표면 패시베이션이 반응 동역학에 미치는 영향을 보여줍니다. 이러한 연구 결과는 주기적 산화 환원 조건에서 물질 거동을 이해하는 데 매우 중요하며, 촉매 및 에너지 저장 애플리케이션에 영향을 미칩니다.
요약
NETZSCH STA 509 Jupiter® 는 H₂Secure박스와 결합하여 수소 연구를 위한 강력한 도구로 구성됩니다. 이 시스템은 수소가 풍부한 혼합 가스를 포함하여 통제된 분위기에서 고온 산화 환원 반응을 분석하도록 설계되었습니다. 이 시스템의 고급 기능은 실험 중 안전성과 신뢰성을 보장하는 동시에 환원-산화 사이클 연구, 촉매 공정 최적화, 야금 및 에너지 저장 분야의 수소 기반 기술 개선 등 광범위한 응용 분야를 지원합니다. 반응 동역학, 상 전이 및 재료 안정성에 대한 정확한 통찰력을 제공하는 STA 509 시리즈는 연구자들이 산업 및 재료 응용 분야의 효율성과 지속 가능성을 향상시키고 수소 기반 공정의 혁신을 촉진할 수 있도록 지원합니다.