氫技術和熱分析(二)
2. 從電能到化學能的轉化（電解、合成燃料）
由於電能儲存難度較大，如今的大型發電廠，如燃煤電廠和核電廠，為了滿足基本負荷而不斷產生能量，而使用燃氣電廠等變化較大的能量來補償波動。
由於可再生能源的發電量存在波動（例如在夜間、乾燥或風平息時），因此需要將產生的能量儲存起來，以解決能源需求的持續波動和不連續發電的需求。可再生能源。
此外，一些應用，如移動性（高檔汽車、卡車、飛機），需要大量的能量，將電能存儲在蓄電池中是不切實際的，因為所需尺寸的蓄電池價格昂貴且尚未準備好運行。對於這些應用，將電能轉化為合成燃料或氫氣形式的化學能更為方便。由於合成燃料也是使用氫氣生產的，因此主要步驟是通過電解從水中生產氫氣。
水的電解是通過施加外部電壓將水化學分離成氧氣和氫氣。由於這種制氫過程需要大量能量，因此也有通過催化劑或反應鏈制氫的方法，如煤氣化。
然而，目標是獲得具有高產量和效率的直接電解。為了提高電解效率，需要優化陰極和陽極材料以及催化劑和表面材料。
應用示例：催化劑 –鉑絲的熱膨脹
在這裡，熱分析可以通過表徵所用材料的化學穩定性、導熱性和吸附能力以及通過確定熱膨脹來提高使用壽命和質量來提供幫助。
鉑用作催化劑、純材料或許多合金。由於合金具有多種優點，因此作為合金使用是更常見的用途，因此物理和化學行為略有變化。該示例顯示了鉑與含 3% 銠的鉑之間的熱膨脹差異。
在該示例中，使用 Linseis 推桿膨脹計以 5 K/min 的線性加熱速率測量鉑和鉑合金。下面的兩條曲線顯示了絕對熱膨脹，上面的曲線顯示了鉑樣品與鉑銠合金相比的相對膨脹。
即使化學成分只有微小的差異，膨脹行為也會在高達 1000°C 的範圍內顯示出一些 μm 的偏差。如果在反應器等複雜結構中使用，則必須考慮精確的膨脹值，以避免因膨脹係數不同而損壞電解裝置。
應用示例：熱管理——石墨的導熱性
除了可能導致複雜結構出現問題的熱膨脹外，熱物理特性（如導熱率和電阻率）也非常重要。
關鍵是適當的熱量管理。如果反應器內沒有大的溫差，熱膨脹也沒有問題。出於這個原因，最好還了解所有使用的材料的熱傳輸特性。
總結一下：優化氫氣的熱性能有助於節省成本和提高質量。例如，納米結構催化劑具有更大的活性表面並且需要更少的原材料
石墨是一種碳物質，以深灰色固體形式存在。它具有相當高的耐化學性，可用於多種用途，例如用作陰極材料、建築材料、傳感器組件等等。如果加熱，它會與氧氣反應生成一氧化碳或二氧化碳，但如果在惰性、無氧環境中加熱，它會達到非常高的溫度，因此在超高溫爐中用作爐料甚至加熱器.
在本例中，使用 LFA 1000（激光閃光分析儀）在真空中分析了石墨樣品。熱擴散率已在 RT 和 1100°C 之間的幾個溫度步驟中直接測量。比熱容已使用已知的石墨標准在第二個樣品位置作為同一測量中的參考來確定。
擴散係數、比熱和密度的乘積給出了相應的熱導率。結果表明，熱導率是典型的線性下降，而熱擴散率在 500°C 以上時呈現平穩狀態。Cp 隨著溫度的升高而略有增加。
應用實例：合成燃料-壓力d由STA高壓ependent反應
對於某些應用，如飛機，以比氫更穩定的形式結合電能可能是有利的，氫是合成燃料。
合成燃料有一個很大的優勢，即可以原樣使用現有的基礎設施和設計。這個想法是使用綠色氫並用它形成合成碳氫化合物。在成型過程中，大氣中的 CO2 會結合，但在合成燃料的使用（燃燒）過程中，CO2 會再次釋放。
合成燃料的形成過程（Fischer-Tropsch-Process）可以使用高壓 TG 和 TG/DSC 系統（如 LINSEIS 高壓 -STA）進行優化。
Linseis STA HP 系列允許在受控高壓下進行測量。對於分解、吸附和解吸等一些反應，樣品和材料的行為在很大程度上取決於大氣條件，因為許多反應都存在壓力依賴性。
這些曲線顯示了在壓力（20 巴，紅色曲線）與大氣條件（藍色曲線）下草酸鈣水合物分解的比較測量。可以觀察到分解步驟 1（水損失）和 3（二氧化碳損失）的顯著壓力依賴性。
分解步驟 1 和 3 在升高的壓力下轉移到更高的溫度。第二步是從有機草酸鹽到無機碳酸鹽的不可逆轉變，釋放出一氧化碳。由於這是不可逆的，因此與壓力無關。
3. 儲氫
由於氫氣是一種極易揮發的氣體，它的儲存和運輸相當具有挑戰性。它可以通過壓縮鋼瓶中的 H2 氣體來存儲，但由於需要高壓（鋼瓶存在的最大壓力高達 700 巴）以及相關的技術和安全相關問題（氫會隨著時間擴散到任何材料中）其他技術優先。
例如，氫可以通過吸附在或多或少化學固定的不同類型材料（金屬有機框架 (MOF)、沸石、離子液體等）上來儲存。然而，以金屬氫化物的形式儲存是最有前途的。
在這種情況下，氫通過形成穩定的氫化物化學結合到金屬表面。由於使用了多孔材料，例如沸石和具有納米孔的合成骨架，可以通過擴大表面積來優化該過程。在許多材料中，氫氣可以通過易於應用的受控溫度變化或壓力變化來釋放。不再存在不受控制的擴散風險。
應用實例：高壓STA吸附
熱分析，尤其是重量分析可以幫助確定準確的吸附條件、釋放和存儲速率，以優化加載和釋放循環。
用體積法進行的吸附測量通常不提供有關熱流和焓的信息。如果對吸附熱感興趣，則需要進行第二次實驗。
在重量分析吸附分析儀（高壓TG-DSC），其同時測量重量變化（TGA熱重）和（DSC）差示掃描Calorimetry-信號，提供了一個快得多的替代方案。
在一項實驗中，可以測量吸附容量和吸附熱。該圖顯示了在 15 bar 的壓力和 80°C 的溫度下，氫氣在 Pt/Al 催化劑上的吸附的 DSC 測量的一部分。放出的熱量為 30.5 J/g。在吸附實驗過程中直接測定吸附熱，並顯示出清晰的峰。在上面的曲線中，監測了從氫氣引入到吸附反應的時間，以顯示樣品與大氣相互作用的速度。
