05.05.2026 by Aileen Sammler
Термогравиметрия с водородом (часть 3): Исследование окислительно-восстановительных реакций меди и CuO в атмосфере водорода
Узнайте, как циклические окислительно-восстановительные реакции CuO/Cu могут быть проанализированы с помощью NETZSCH TGA для оценки механизмов реакции, обратимости и долгосрочной стабильности материала.
Термогравиметрия встречает водород
Водород является ключевым компонентом для концепций устойчивой энергетики и технологических процессов, особенно в области высокотемпературных технологий и разработки материалов.
На сайте Части 1 нашей серии блогов "Термогравиметрия с водородом" мы познакомились с основами термогравиметрического анализа, совместимого с водородом, и объяснили, почему контролируемые водородные атмосферы необходимы для изучения материалов, связанных с водородом.
На сайте Части 2мы сосредоточились на восстановлении Fe2O3 при различных концентрациях H2.
В этой части 3 мы сделаем следующий шаг и применим ту же методологию к системе оксидов металлов с четко определенными путями реакции: окислительно-восстановительной паре CuO/Cu. Этот пример наглядно иллюстрирует, как термогравиметрический анализ в водороде может быть использован для оценки долгосрочной окислительно-восстановительной стабильности, обратимости и эффектов деградации в условиях, актуальных для конкретного применения.
Почему CuO/Cu является сильным эталоном?
Оксиды металлов, обладающие редокс-активностью, широко используются в качестве модельных материалов в исследованиях водорода. Наша новая статья демонстрирует хорошо известное циклическое окислительно-восстановительное поведение системы оксида меди (CuO/Cu) под действием водорода.
Поэтапное восстановление и окисление оксидов меди широко описано в литературе и часто используется в качестве эталонной системы в исследованиях химических циклов, накопления энергии и термохимических процессов.
В опубликованных работах подчеркивается, что повторяющиеся окислительно-восстановительные циклы могут приводить к структурным изменениям и изменению кинетики как в изотермических, так и в неизотермических условиях (например, Chen et al., 2024; Cerciello et al., 2024), а также кинетики окисления материалов на основе меди(Jahromy et al., 2019).
Используемые приборы NETZSCH
Все эксперименты, описанные в исследовании, проводились с использованием NETZSCH STA 509 Jupiter® в сочетании с H₂Secure safety
Данная конфигурация позволяет безопасно работать в водородной атмосфере, обеспечивая стабильные и воспроизводимые условия эксперимента при многократном переключении газа.
Установка поддерживает:
- Заданный поток газа к образцу
- Непрерывный мониторинг условий процесса
- Автоматизированная продувка инертным газом для поддержания безопасных сценариев
- Контроль давления для предотвращения аномальных условий работы.
Это делает систему особенно подходящей для долгосрочных экспериментов по окислительно-восстановительному циклированию.
Что показывает эксперимент: Стабильное восстановление, изменяющееся окисление
В представленном эксперименте CuO циклируется при 500°C, чередуя:
- 100% водорода для восстановления и
- синтетическим воздухом (21% O₂) для окисления.
Термогравиметрический сигнал показывает два различных поведения:
Восстановление оставалось полностью воспроизводимым во всех циклах.
Потеря массы при восстановлении составила приблизительно 20,1%, что находится в отличном согласии с теоретическим значением 20,11% для полного восстановления CuO до металлической меди. После восстановления образец стабилизировался на уровне 79,9% массы, цикл за циклом.
Окисление, однако, постепенно уменьшалось в течение последовательных циклов.
Увеличение массы, связанное с окислением, снизилось с 20,1 % в первом цикле до 19,0 %, а затем до 18,2 %.
В заявке предполагается, что такое поведение может быть связано с эффектом пассивации поверхности или агломерацией частиц, которые ограничивают доступ кислорода и снижают полноту окисления с течением времени.
Такие тонкие изменения очень важны для реальных водородных приложений. Они становятся заметны только при циклическом термогравиметрическом анализе.
Узнайте больше в полном описании приложения
👉 Подробные условия эксперимента, кривые и интерпретации доступны здесь:
Станьте экспертом с помощью наших бесплатных курсов электронного обучения
Все базовые курсы NETZSCH E-Learning бесплатны! Содержание курсов создано нашими экспертами по лабораторным методам, которые делятся с вами своим личным опытом. Воспользуйтесь преимуществами гибкого онлайн-обучения, полностью адаптированного к вашим потребностям в обучении!