Wprowadzenie
Redukcja proszku tlenku miedzi (CuO) do metalicznej miedzi (Cu) za pomocą wodoru jest dobrze znaną reakcją redoks, która odgrywa ważną rolę zarówno w badaniach, jak i zastosowaniach przemysłowych. Z technicznego punktu widzenia proces ten jest wykorzystywany w takich dziedzinach jak metalurgia proszków, przygotowanie katalizatorów i materiałów elektronicznych, gdzie kontrolowana redukcja tlenków metali jest wymagana do uzyskania metali o wysokiej czystości i dostosowanej mikrostrukturze. Ponadto procesy redukcji oparte na wodorze są coraz częściej badane jako zrównoważone alternatywy dla procesów metalurgicznych opartych na węglu, ponieważ mogą znacznie zmniejszyć emisję CO₂.
Badanie tej reakcji za pomocą jednoczesnej analizy termicznej (STA), która łączy termograwimetrię (TGA) i różnicową kalorymetrię skaningową (DSC), jest szczególnie ważne. STA umożliwia precyzyjne monitorowanie utraty masy związanej z uwalnianiem tlenu podczas redukcji, przy jednoczesnym wykrywaniu efektów termicznych.
Badanie to, przeprowadzone za pomocą STA Jupiter®, nie tylko monitorowało redukcję CuO do Cu, ale także udowodniło czystość uzyskanego proszku miedzi poprzez dalsze ogrzewanie do temperatury topnienia miedzi.
Warunki pomiaru
Warunki pomiaru są wyszczególnione w tabeli 1.
Tabela 1: Warunki pomiaru
| Przyrząd | STA Jupiter® |
|---|---|
| Piec | Platyna |
| Nośnik próbki | TG-DSC, typ S |
| Masa próbki | 5.11 mg |
| Tygiel | Pt z wkładką Al2O3 i przekłutą pokrywką |
| Atmosfera | Ar 95% + wodór 5% |
| Przepływ gazu | 70 ml/min |
| Program temperatury | RT - 1150°C |
| Szybkość ogrzewania | 20 K/min |
Wyniki i dyskusja
Na rysunku 1 przedstawiono wyniki TGA-DSC redukcji miedzi w atmosferze zawierającej wodór. Krzywa TGA wykryła ubytek masy wynoszący 20,1% w zakresie od 150°C do 350°C ze szczytem szybkości ubytku masy (DTG) w 316°C. Efektowi temu towarzyszył efekt EgzotermicznyPrzejście próbki lub reakcja jest egzotermiczna, jeśli generowane jest ciepło.egzotermiczny ze szczytami w 276°C i 334°C i całkowitą entalpią 873 J/g. Utrata masy była dokładnie równa przewidywanej wartości uzyskanej z obliczeń stechiometrycznych:
CuO +H2 → Cu +H2O
79.5 g/mol 2 g/mol 63,5 g/mol 18 g/mol
Dalsze ogrzewanie doprowadziło do stabilnej masy i efektu endotermicznego, który - ze względu na niskie odchylenie - można przypisać topnieniu Cu, o temperaturze topnienia znanej z literatury wynoszącej 1084,6 ° C. Ekstrapolowana temperatura początkowa została ustalona na 1082,3°C. Próbka optycznie zmieniła się z czarnego proszku w czerwone aglomeraty; patrz rysunek 2.
Podsumowanie
Wytrzymała seria STA Jupiter® umożliwia - w pojedynczym, dobrze kontrolowanym pomiarze w atmosferzezawierającej H2- precyzyjne uchwycenie pełnej transformacji CuO → Cu oraz, po utworzeniu metalicznej miedzi, identyfikację prawidłowej temperatury topnienia na poziomie około 1084°C w tym samym eksperymencie. W przypadku badań z zakresu metalurgii proszków, możliwości te przekładają się bezpośrednio na praktyczne korzyści: szybkie przesiewanie proszków tlenkowych i dodatków, optymalizację harmonogramów redukcji i nastawy pieca z potrzebą jedynie small ilości próbek w skali mg.