綠色能源和綠色交通的主要關(guān)鍵是使用氫作為燃料，用于能量儲存和能量傳遞過程的工具。因此，所謂的氫循環(huán)就建立起來了，它表明了利用氫的使用從發(fā)電的儲存和輸出再到將其作為燃料用回發(fā)電，這對于理解氫的電導率及其應(yīng)用至關(guān)重要。
由于這個循環(huán)中的每個步驟都有許多方法，因此建立了一些研究概念，以縮小差距，并獲得必要但尚未完全開發(fā)的技術(shù)。弗勞恩霍夫研究協(xié)會制定并發(fā)布了德國氫路線圖，其中顯示了所有研究領(lǐng)域和主題。
路線圖顯示了在不久的將來可能使用的氫。關(guān)鍵問題始終是儲存和生產(chǎn)，因為每個部門都受到如何安全有效地儲存氫氣的問題的影響。另一個需要回答的問題是，集中還是分散的氫氣生產(chǎn)更有希望，它是直接作為燃料還是以氨或類似物質(zhì)的形式存在。
氫循環(huán)-可再生能源
氫循環(huán)從綠色發(fā)電廠產(chǎn)生氫開始?？稍偕茉词占淖钪匾獊碓窗ㄋΠl(fā)電廠、風力發(fā)電廠、光伏電站、地熱發(fā)電廠和生物質(zhì)能發(fā)電廠，其目標是產(chǎn)生足夠數(shù)量的能源，不排放任何二氧化碳，也不產(chǎn)生核廢料。
熱分析在可再生能源中發(fā)揮作用的一個很好的例子是輕質(zhì)建筑材料的熱膨脹行為，比如風力發(fā)電機葉片的復合材料。
復合材料用于輕質(zhì)建筑或作為多種用途的特殊建筑材料。例如，風車的葉片是由輕質(zhì)鋁合金或輕質(zhì)聚合物制成的。
測量結(jié)果顯示了兩種聚合物復合材料的細微差別，這兩種聚合物復合材料用于堅硬但輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)，如風車葉片。使用林賽斯推桿式膨脹儀以 5 K/min 的升溫速率測量樣品的絕對膨脹變化量，結(jié)果顯示兩個樣品之間沒有太大的差異。此外，相對膨脹變化量（紅色曲線）也非常相似。
然而，當觀察兩者的 CTE 時，可以看到細微的差異。在 200 ℃ 左右的轉(zhuǎn)變點之前，在其中的一個樣品上可觀察到一個小的影響，在另一個樣品上沒有顯示該轉(zhuǎn)變或相變化。
氫氣生產(chǎn)的另一個要點是原材料的質(zhì)量和性能，例如用于發(fā)電和制氫的生物質(zhì)。
問題是在氣化過程中，各種原料可以獲得多少氫氣，需要多少能量，總結(jié)果是什么。這可以通過加壓熱重分析和同步熱分析（STA）來監(jiān)測，如下面的應(yīng)用示例所示。
高壓熱重分析儀測量的一個典型應(yīng)用是對煤氣化或氫氣化的研究。這個過程中，碳在水蒸氣氣氛中加熱，用于催化過程，例如從廢氣中去除一氧化碳，特別是從木炭或生物質(zhì)等資源中獲取有價值的有機化合物。
下圖給出了一個典型的干生物質(zhì)氣化試驗。將生物質(zhì)樣品在 50 bar 壓力的氮氣氣氛下加熱至等溫平臺（高壓 TGA - 熱天平）。
質(zhì)量信號（紅色曲線）顯示，揮發(fā)性組分的損失發(fā)生在 20 ~ 40 min 之間。加入水蒸氣后，生物質(zhì)在 150 min 后氣化并幾乎完全消耗，產(chǎn)生 H2、CO、CH3OH 等有用的反應(yīng)性氣體。
整個過程可以這樣描述：碳與水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳和氫的混合物。得到的一氧化碳可以與第二個水分子反應(yīng)生成二氧化碳和額外的氫，最后生成的氫可以和一氧化碳反應(yīng)生成甲烷和其他碳氫化合物。
在產(chǎn)品生命周期結(jié)束后，復合材料需要回收或大力利用。為此，研究燃燒行為和灰分含量是很有意義的。
含碳材料、有機物和聚合物高溫加熱后通常會燃燒掉，因此，對這類材料的熱分解研究有點特殊，在大多數(shù)情況下，首先需要在惰性氣氛中進行加熱，而不是在空氣中進行，以便能夠看到分解和熱解的效果，隨后將惰性氣體切換成氧氣或空氣，使材料所含的碳燃燒掉。如果在同步熱分析儀（STA）上執(zhí)行此程序，則可以測量碳含量，無機物含量和釋放的熱量。
此案例顯示了使用同步熱分析儀 STA L81 對工業(yè)橡膠樣品的測量，樣品分三步進行加熱測量，升溫速率均為 30 k/min，從 N2 氣氛開始。藍色曲線表示該樣品相對失重百分比。在第一個失重步驟中，發(fā)生樣品脫水，水分含量為 9.3 % 。對應(yīng)的 DTA 信號（紫色曲線）在水分蒸發(fā)過程中沒有表現(xiàn)出任何變化。
在第二步反應(yīng)中，揮發(fā)性組分在 N2 氣氛下熱解釋放。這些成分的含量為 36.0 % 。它們的釋放可以通過 DTA 曲線上的放熱反應(yīng)峰來識別。在第三步反應(yīng)中，將氣氛切換成 O2 ，使剩余的碳燃燒掉，樣品重量減少了 14.3 % ，剩下的 40.4 % 為無機成分，如灰燼、污泥或填料。
熱分析可以通過描述所用材料的化學穩(wěn)定性、導熱性和吸附能力來提供幫助，還可以通過確定熱膨脹來提高材料的使用壽命和質(zhì)量。
鉑被用作催化劑、純物質(zhì)或合金材料，由于合金具有一些優(yōu)點，因此作為合金使用更為普遍，其物理和化學行為略有變化。這個例子顯示了純鉑和含 3 % 銠的鉑在熱膨脹方面的差異。
在示例中，使用林賽斯熱膨脹儀測量鉑與鉑銠合金樣品，線性加熱速率為 5 K/min 。下面兩條曲線表示絕對熱膨脹，上面兩條曲線表示鉑與鉑銠合金的相對熱膨脹。
結(jié)果顯示，即使在化學成分上只有微小的差異，但在高達 1000 °C 的測量溫度范圍內(nèi)，膨脹行為會表現(xiàn)出 μm 的偏差。如果用于像核反應(yīng)堆這樣的復雜結(jié)構(gòu)中，必須考慮精確的膨脹值，以避免由于不同的膨脹系數(shù)而損壞電解裝置。
在復雜結(jié)構(gòu)中，除了熱膨脹可能引起問題的外，熱物理性質(zhì)，熱導率和電阻率也非常重要。
?適當?shù)臒峁芾韺τ诜磻?yīng)堆的安全運行至關(guān)重要。如果反應(yīng)堆內(nèi)部沒有很大的溫差，熱膨脹也不會引起問題。因此，了解所有使用材料的熱傳遞特性具有重要意義。
石墨是碳的一種同素異形體，為灰黑色、不透明固體，化學性質(zhì)穩(wěn)定，在許多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，例如作為陰極材料，建筑材料，傳感器組件等。
如果加熱，它與氧氣反應(yīng)生成一氧化碳或二氧化碳。然而，如果它在惰性、無氧環(huán)境中加熱，它可以達到非常高的溫度，因此它被用于超高溫熔爐中作為爐子材料甚至加熱器。
在本實例中，使用激光導熱儀 LFA L52 在真空條件下分析了石墨樣品在室溫至 1500 °C 范圍內(nèi)的熱擴散率，在同一測量周期內(nèi)，以石墨標樣為基準，采用比較法測量比熱容。根據(jù)樣品的熱擴散率、比熱容和密度，可以確定其熱導率。結(jié)果表明，熱導率隨著溫度的升高呈現(xiàn)典型的線性降低，熱擴散率在 500 ℃ 以上呈較平穩(wěn)的狀態(tài)，而比熱容隨則著溫度的升高而增大。
對于某些應(yīng)用，比如飛機，將電能以一種比合成燃料氫更穩(wěn)定的形式結(jié)合起來是有利的。合成燃料具有很大的優(yōu)勢，現(xiàn)有的基礎(chǔ)設(shè)施和設(shè)計可以原樣使用。這個想法是利用綠色氫，并與之合成碳氫化合物。在成型過程中，大氣中的二氧化碳被結(jié)合，但在合成燃料的使用（燃燒）過程中，二氧化碳又被釋放出來。合成燃料的形成過程（費托法）可以使用高壓 TG 和 TG/DSC 系統(tǒng)，如林賽斯高壓同步熱分析儀進行優(yōu)化。
林賽斯 STA HP 系列可以在可控的高壓下進行測量。對于一些反應(yīng)，如分解、吸附和解吸，樣品和材料的行為很大程度上取決于氣氛條件，因為許多反應(yīng)都有壓力依賴性。
下圖顯示了在壓力 20 bar（紅色曲線）和常壓（藍色曲線）條件下草酸鈣水合物分解的比較測量結(jié)果?？梢杂^察到分解步驟 1（水的損失）和步驟 3（二氧化碳的損失）對壓力有顯著的依賴性。
分解步驟 1 和步驟 3 在高壓條件下轉(zhuǎn)移至更高的溫度。第二步是從有機草酸到無機碳酸鹽的不可逆轉(zhuǎn)化，釋放一氧化碳。因為該轉(zhuǎn)變是不可逆的，所以它對壓力不具有依賴性。
熱分析，特別是重量分析可以幫助確定準確的吸附條件，釋放和儲存速率，以優(yōu)化負載和釋放周期。
采用容量法進行吸附測量通常不提供有關(guān)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。重量吸附分析儀（高壓 TG-DSC / STA HP），可同時測量物質(zhì)的重量變化和 DSC 信號，是一種更加快捷的替代方案，可在一次性實驗中完成吸附量和吸附熱的測量。
化學吸附和催化氧化或還原是放熱反應(yīng)。使用林賽斯 STA HP 集成的 DSC 傳感器可以輕松地監(jiān)測熱量。如下圖顯示了在壓力 15 bar 和 80 ℃ 的溫度下氫氣吸附在鉑/鋁催化劑上的 DSC 信號。釋放出的熱量為 30.5 J/g 。吸附熱在吸附實驗中直接測定，并顯示一個清晰的峰值。在曲線中，監(jiān)測了從氫氣引入到吸附反應(yīng)的時間，以顯示樣品與氣氛相互作用的速度。
此案例顯示了用作催化劑的金屬生胚的 H2 燒結(jié)。
圖中顯示了在絕對氫氣氣氛下，按燒結(jié)溫度（深藍色曲線）加熱后的金屬粉末壓制燒結(jié)曲線。
在燒結(jié)過程中，氫降低了樣品中所含的氧，導致了較高的密度和較低的金屬氧化物百分比。因此，氣體氣氛和燒結(jié)溫度對結(jié)果具有重要影響。
藍色曲線表示相對膨脹和收縮，紅色曲線表示絕對值。在 500 ℃ 至 1400 ℃ 的第二加熱階段可以觀察到主要的燒結(jié)步驟。
以下應(yīng)用示例顯示了熱分析和材料科學設(shè)備在氫能和燃料電池技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用：
儲氫可以通過表面吸附、孔吸附或化學吸附等方式進行。對于大多數(shù)金屬，表面吸附是最有前途的方法，因為它容易實現(xiàn)，氫的釋放可以很好地控制。因此，許多具有高比表面的金屬得到了研究。
氫化鈦是一種常用的氫資源，可在各種反應(yīng)中控制氫的釋放。一方面，它可以用作液體化學中的催化劑，作為原位氫源，另一方面，它可以用于例如電池或燃料電池中，以控制氫的釋放。
為了了解在什么溫度下釋放了多少氫，重要的是要知道與溫度相關(guān)的分解行為和釋放的熱量，這可以通過同時熱分析（STA）來監(jiān)測。
在STA測量中，監(jiān)測了氫化鈦對氫的釋放。樣品在氬氣中以 10 K/min 的速率線性加熱，在室溫至 800 ℃ 范圍內(nèi)測量 TG 和 DSC 信號。在 300 °C 至 600 °C 之間，有兩個步驟的質(zhì)量損失，總計為 2.3 % ，這意味著在這個過程中釋放了全部的結(jié)合氫。DSC 曲線顯示相應(yīng)的解吸峰（紅色曲線）。
