Введение
Восстановление порошка оксида меди (CuO) до металлической меди (Cu) с помощью газообразного водорода - хорошо известная окислительно-восстановительная реакция, которая играет важную роль как в научных исследованиях, так и в промышленности. Технически этот процесс применяется в таких областях, как порошковая металлургия, подготовка катализаторов и электронных материалов, где требуется контролируемое восстановление оксидов металлов для получения высокочистых металлов с индивидуальными микроструктурами. Кроме того, процессы восстановления на основе водорода все чаще рассматриваются как устойчивая альтернатива металлургическим процессам на основе углерода, поскольку они могут значительно сократить выбросы CO₂.
Изучение этой реакции с помощью одновременного термического анализа (STA), сочетающего термогравиметрию (TGA) и дифференциальную сканирующую калориметрию (DSC), имеет особое значение. STA позволяет точно отслеживать потерю массы, связанную с выделением кислорода в процессе восстановления, и одновременно определять тепловые эффекты.
Данное исследование, проведенное с помощью STA Jupiter®, позволило не только проконтролировать процесс восстановления CuO до Cu, но и подтвердить чистоту полученного медного порошка путем дальнейшего нагрева до температуры плавления меди.
Условия измерения
Условия измерений подробно описаны в таблице 1.
Таблица 1: Условия измерений
| Прибор | СТА Jupiter® |
|---|---|
| Печь | Платина |
| Носитель образца | TG-DSC, тип S |
| Масса образца | 5.11 мг |
| Крюсиль | Платина с вкладышем из Al2O3 и прокалываемой крышкой |
| Атмосфера | Ar 95% + водород 5% |
| Поток газа | 70 мл/мин |
| Температурная программа | RT - 1150°C |
| Скорость нагрева | 20 К/мин |
Результаты и обсуждение
На рисунке 1 показаны результаты ТГА-ДСК восстановления меди в атмосфере, содержащей водород. Кривая ТГА обнаружила потерю массы на 20,1% в интервале от 150 до 350°C с пиком скорости потери массы (DTG) при 316°C. Этот эффект сопровождался экзотермическим эффектом с пиками при 276°C и 334°C и общей энтальпией 873 Дж/г. Потеря массы точно соответствовала ожидаемому значению, полученному из стехиометрических расчетов:
CuO + H2 → Cu + H2O
79.5 г/моль 2 г/моль 63,5 г/моль 18 г/моль
Дальнейшее нагревание привело к образованию стабильной массы и эндотермическому эффекту, который - из-за низкого отклонения - можно отнести к плавлению меди, температура плавления которой, как известно из литературы, составляет 1084,6 °C. Экстраполированная температура начала плавления составила 1082,3 °C. Образец оптически превратился из черного порошка в красные агломераты; см. рис. 2.
Резюме
Надежные приборы серии STA Jupiter® позволяют за одно хорошо контролируемое измерение в атмосфере, содержащей H2, точно зафиксировать полное превращение CuO → Cu и, после образования металлической меди, определить правильную температуру плавления при температуре около 1084°C в том же эксперименте. Для исследований в области порошковой металлургии эти возможности напрямую воплощаются в практические преимущества: быстрый отбор порошков оксидов и добавок, оптимизация графиков восстановления и настройка печей с использованием только small количества образцов в масштабе мг.