氫技術和熱分析
德國氫能路線圖（來源：弗勞恩霍夫研究所）
氫循環
路線圖顯示了在不久的將來可能使用的氫氣。關鍵問題始終是存儲和生產，因為每個部門都受到如何安全有效地存儲氫氣的問題的影響。另一個需要回答的問題是，集中式或分散式製氫是否更有前景，是直接用作燃料還是以氨或類似物質的形式用作燃料。
1. 氫循環——可再生能源
氫循環始於綠色電廠產生的氫氣。可再生能源收集的最重要來源包括水力發電廠、風車、光伏發電站、地熱發電廠和生物質發電廠，其目標是在不排放任何二氧化碳和核廢料的情況下產生足夠數量的能源。
熱分析和材料科學都存在於其中：
- 從復合材料的研究來看，它們是如何用於風車葉片的
- 光伏電池中半導體材料的材料優化
- 優化生物質應用中的直接製氫。
應用示例：輕質建築材料的熱膨脹行為
熱分析在可再生能源中發揮作用的一個很好的例子是風車葉片複合材料等輕型建築材料的熱膨脹行為：
複合材料用於輕型結構或用作多種用途的特殊結構材料。
例如，風車的葉片由輕質鋁合金或輕質聚合物製成。
測量結果顯示，用於風車葉片等堅硬但輕便的結構的兩種聚合物複合材料略有不同。由Linseis 推桿膨脹計通過恆定加熱以 5 K/min 的線性速率測量的絕對 delta L （下曲線）。它沒有顯示所分析的兩個樣品之間存在顯著差異。此外，相對膨脹（紅色曲線）非常相似。
然而，當觀察到 CTE 時，會出現輕微的差異。在 200°C 左右的轉變點之前，只有在兩個樣品中的一個樣品上才能看到一點效果，這表明另一種材料沒有表現出另一個小的轉變或相變。
應用示例：DEA – 介電分析/固化監測
對於具有成本效益和高質量的複合材料生產，最重要的是了解所需的確切時間和溫度曲線，以確保完成特定部件。
如果這些參數選擇錯誤，要么無法實現質量，要么浪費金錢。這種固化的過程中，可以監控因使用時間過長的等待時間介質分析- DEA。
大多數聚合物的固化可以通過放入未固化材料中的 DEA 傳感器觀察到。
在該示例中，將樹脂加熱至 180 °C 等溫，並應用 DEA 傳感器。紅色曲線顯示樣品和傳感器的等溫溫度。監測離子粘度和離子粘度斜率。
三個重要的點 CP2、CP3 和 CP4 標誌著固化的開始（最小粘度）、最大反應速率（最大斜率）和固化結束。此信息對於正確的聚合物固化至關重要，因為未固化的材料會導致嚴重的質量問題。
應用示例：原材料的質量和行為，例如生物質
制氫的另一個重要方面是原材料的質量和行為，例如用於發電和製氫的生物質。
問題是在氣化過程中，各種原料可以得到多少氫氣，需要多少能量，總的結果是什麼。這可以通過加壓熱重法和熱重與量熱聯合法 ( STA )進行監測，如下面的應用示例所示。
高壓 TGA 測量的典型應用是研究所謂的煤氣化或加氫氣化。該過程在水蒸汽氣氛中加熱碳，用於催化過程，例如從廢氣中去除一氧化碳，特別是從木炭或生物質等資源中提取有價值的有機化合物。
給出的例子顯示了一個典型的干生物質氣化實驗。將生物質樣品在 50 巴壓力（高壓 TGA - 熱天平）下在氮氣氣氛下加熱到等溫平台。
質量信號顯示了 20 到 40 分鐘之間揮發性成分的損失。添加水蒸氣後，生物質氣化並在 150 分鐘後幾乎完全消耗，產生 H2、CO、CH3OH 和其他有用的反應氣體，如紅色質量損失曲線所示。
整個過程可以這樣描述：碳與水蒸氣反應生成一氧化碳和氫氣的混合物。獲得的一氧化碳可以與第二個水分子反應生成二氧化碳和額外的氫氣，最終生成的氫氣可以從一氧化碳中形成甲烷和其他烴。
應用實例： 研究複合材料的燃燒行為和灰分含量
最後但並非最不重要的是，在產品生命週期結束後，複合材料需要回收或大力使用。為此，研究燃燒行為和灰分含量可能會很有趣。
含碳材料、有機物和聚合物通常在加熱時會燃燒掉。因此，對此類材料的熱分解研究有點特殊。在大多數情況下，它是在惰性氣氛而不是空氣中進行的，以便能夠看到分解效果和熱解，然後將氣體轉換為氧氣或空氣，從而燃燒掉所含的碳。
如果在組合式熱分析儀(STA)上執行此程序，則可以測量碳含量、無機含量和釋放的熱量。
工業橡膠樣品的這種測量是用同步熱分析儀STA PT 1600 進行的，從氮氣氛開始。
樣品分三步加熱，每步 30 K/min。藍色曲線顯示相對重量損失。在第一個重量損失步驟中，樣品發生脫水。水量為9.3%。相應的 DTA 信號（紫色曲線）在水蒸發過程中沒有顯示任何影響。
在第二個反應步驟中，揮發性成分在 N2 氣氛下通過熱解釋放。這些成分的量為36.0%。它們的釋放可以通過 DTA 曲線上的放熱反應峰來識別。
對於第三個反應步驟，氣氛變為 O2，導致剩餘的碳被燒掉。重量損失為14.3%。剩下的 40.4% 是無機成分，如灰分、熟料或填料。
