Termogravimetrisk analys av redoxreaktion mellan CuO och Cu med hjälp av H₂Säker Box

Vätgas: En viktig drivkraft i övergången till ren energi

Inledning

Vätgas står i spetsen för övergången till ren energi, driver koldioxidfria industriella processer och stöder integrationen av förnybar energi. Dess mångsidighet när det gäller produktion, lagring och användning understryker dess roll som en hörnsten i hållbara energisystem. Ny forskning som utnyttjar avancerade tekniker för termisk analys har avslöjat vätgasens breda tillämpningspotential, inklusive dess roll i produktionstekniker, metallurgiska processer, termokemisk energilagring och innovativa reduktions-/oxidationscykler. Dessa framsteg understryker vätgasens transformativa inverkan på energi- och materialvetenskap.

Ett exempel är användningen av termogravimetrisk analys (TGA) för att studera reduktions-/oxidationscykler för metalloxider/metaller för kolneutrala energitillämpningar. Studier [Chen et al., 2024; Cerciello et al., 2024] har visat att upprepade reduktions-/oxidationscykler med väte i kontrollerade atmosfärer kan leda till strukturella förändringar som påverkar reaktiviteten. Resultaten från dessa artiklar ger insikter i strukturella förändringar under icke-isotermiska och isotermiska förhållanden, vilket avslöjar effekten av temperatur och gassammansättning på reaktionskinetiken. Inom området termokemisk energilagring har oxidationskinetiken för _Cu2Otill CuO analyserats [Jahromy et al., 2019].

Instrumentering

I den här applikationsbeskrivningen vill vi demonstrera kapaciteten hos våra nyutvecklade instrument i NETZSCH STA 509-serien. Dessa är utformade för att stödja avancerad vätgasforskning och hjälpa till att undersöka kinetiska förändringar under reversibla redoxreaktioner. Systemet är konstruerat för att hantera experiment i en atmosfär med 100% vätgas, och hanterar utmaningarna med vätgasens brandfarlighetsrisker vid temperaturer upp till 1600°C.

En viktig innovation är integrationen av H₂Secure-systemet i STA-enheterna, vilket garanterar säker drift i upp till 100% H₂-atmosfärer. Systemet omfattar en centraliserad kontrollbox för gasreglering,_H2- och_{O2-övervakning} i realtid samt en felsäker mekanism som spolar ut vätgas med inert gas vid funktionsfel. En optimerad gasflödesväg säkerställer en kontrollerad fördelning av gasatmosfären över provet. En intern trycksensor möjliggör övervakning av övertrycksgränser i ugnen och mätkamrarna. Denna funktion gör det möjligt att upptäcka oavsiktliga läckage under experimenten, vilket ger ökad säkerhet och systemintegritet.

Experimentella resultat och diskussion

Exemplet i denna studie belyser den reversibla redoxreaktionen mellan kopparoxid (CuO) och koppar (Cu) under kontrollerade förhållanden. En serie cykler utfördes vid 500°C med 100%_H2 för reduktion och syntetisk luft (21%_O2) för OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation.

De viktigaste mätparametrarna anges i tabell 1.

Tabell 1: Mätparametrar

¹ Experimenten utfördes med den tidigare versionen (STA 449) av instrumentet i STA 509-serien, som är helt kompatibel med den nuvarande versionen och ger jämförbar noggrannhet och resultatkvalitet.

Figur 1 visar de erhållna TGA-resultaten. Resultaten visar systemets reversibilitet, med gradvisa kinetiska förändringar som observeras under successiva cykler.

Dessa resultat diskuteras i de följande stegen.

1. Initial uppvär mning:
Provet upphettades till 500°C under en skyddande argonatmosfär (Purge 2 och Protective).

2. Reduktionsfas:

• När det isotermiska tillståndet stabiliserats infördes 100%_H2 (Purge 1) under 5 minuter.
• Reduktionen av CuO till metallisk Cu skedde snabbt, vilket resulterade i en massstabilisering på 79,9%.
• Massförlusten på 20,1% matchade det teoretiska värdet på 20,11%, vilket bekräftar fullständig reduktion till rent metalliskt Cu-pulver.

3. Övergång till OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation:

• Efter reduktionen byttes spolgasen till argon (Purge 2) för att avlägsna H₂ från ugnen/instrumentet under 5 minuter.
• Detta säkerställde en säker övergång till syntetisk luft för oxidationssteget.

4. Oxidationsfas:

• Därefter infördes syntetisk luft (Purge 3) under 60 minuter.
• TGA-signalen förändrades kontinuerligt.
• En gradvis massökning observerades, men massökningen nådde 19,0 % i stället för den förlust på 20,1 % som observerades i den första cykeln, vilket tyder på ofullständig OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation.

Cykler

• Reduktion
  Reduktionen till metallisk Cu var fullständig för alla cykler och uppnådde samma stabiliserade massa på 79,9%, vilket indikerar konsekvent reduktionsprestanda med 100% väte.
• Oxidation
  Oxidationen visade en minskande trend med successiva cykler: från initialt 20,1% till 19,0% och sedan till 18,2%. Denna nedgång tyder på ytpassivering eller partikelagglomerering, vilket kan hämma fullständig OxideringOxidation kan beskriva olika processer i samband med termisk analys.oxidation över tid och förändra reaktionens kinetiska mekanism. Denna förändring indikeras av förändringar i kurvans form och den totala massförändringen mellan den första och den följande oxidationscykeln.

Resultaten av detta experiment belyser den reversibla karaktären hos CuO/Cu-redoxreaktionen

CuO +_H2 ↔ Cu +_H2O

och visar ytpassiveringens inverkan på reaktionskinetiken, särskilt under oxidationssteget. Dessa resultat är avgörande för att förstå materialbeteende under cykliska redoxförhållanden, med konsekvenser för katalytiska och energilagringsapplikationer.

Sammanfattning

NETZSCH STA 509 Jupiter^® i kombination med_{H2Secure-boxen}utgör ett kraftfullt verktyg för vätgasforskning. Systemet är utformat för att analysera högtemperaturredoxreaktioner under kontrollerade atmosfärer, inklusive väterika och blandade gaser. Dess avancerade funktioner garanterar säkerhet och tillförlitlighet under experimenten samtidigt som de stöder ett brett spektrum av applikationer, inklusive studier av reduktions-oxidationscykler, optimering av katalytiska processer och förbättring av vätgasbaserade tekniker inom metallurgi och energilagring. Genom att ge exakta insikter i reaktionskinetik, FasövergångarBegreppet fasövergång (eller fasförändring) används oftast för att beskriva övergångar mellan fast, flytande och gasformigt tillstånd.fasövergångar och materialstabilitet gör STA 509-serien det möjligt för forskare att förbättra effektiviteten och hållbarheten i industri- och materialtillämpningar, vilket driver på innovationen inom vätgasdrivna processer.