Магнезиев хидрид с наноразмери като ефективно съхранение на водород

Соникацията се прилага към магнезиев хидрид, за да се ускори хидролизата на магнезиевия хидрид за подобряване на генерирането на водород. Освен това ултразвуково наноструктурираният магнезиев хидрид, т.е. наночастиците MgH2, показват подобрен капацитет за съхранение на водород.

Магнезиев хидрид за съхранение на водород

Магнезиев хидрид, MgH₂, привлече широко внимание като възможност за съхранение на водород. Основните предимства са неговият богат ресурс, висока производителност, леко тегло, ниска цена и безопасност. В сравнение с други хидриди, използвани за съхранение на водород, MgH₂ има най-висока плътност на съхранение на водород с до 7,6 тегловни %. Водородът може да се съхранява в Mg под формата на метални хидриди на основата на Mg. Процесът на синтез на MgH2 е известен като дисоциативна хемосорбция. Често срещан метод за получаване на метален хидрид на базата на Mg от Mg и H2 е образуването при температура 300–400°C и водородно налягане от 2,4–40 MPa. Уравнението на формацията е следното: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Високата термична обработка идва със значителни ефекти на разграждане на хидридите, като рекристализация, фазова сегрегация, агломерация на наночастици и др. Освен това високите температури и налягания правят образуването на MgH2 енергоемко, сложно и следователно скъпо.

Ултразвукова хидролиза на магнезиев хидрид

Hiroi et al. (2011) демонстрират, че ултразвукът на MgH2 наночастици и нановлакна засилва реакцията на хидролиза MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. В това проучване нановлакната MgH2 показват максимален капацитет за съхранение на водород от 14,4 мас.% при стайна температура. Освен това изследователите демонстрират, че комбинацията от ултразвук и хидролиза на MgH2 е значително ефективна за ефективно генериране на водород без нагряване и добавяне на химически агент. Те също така откриха, че нискочестотният ултразвук е най-ефективният метод за получаване на висок процент на преобразуване. Скоростта на хидролиза при нискочестотна ултразвук "достига до 76% по отношение на степента на реакция при 7,2 ks при ултразвукова честота от 28 kHz. Тази стойност е повече от 15 пъти по-голяма от стойността, получена в случая на неултразвуковата проба, което показва еквивалентна плътност на водорода от 11,6 мас.% въз основа на теглото на MgH2."
Резултатите показват, че ултразвукът ще засили реакцията на хидролиза на MgH2 чрез увеличаване на константата на скоростта на реакцията поради генерирането на радикал и ексфолиране на пасивния слой на Mg(OH)2 върху нереагиралия MgH2 поради генерирането на големи сили на срязване. (Hiroi et al. 2011)

Проблем: Бавна хидролиза на магнезиев хидрид

Насърчаването на хидролизата на магнезиев хидрид чрез топково смилане, пречистване с гореща вода или химически добавки е изследвано, но не е установено, че повишава значително скоростта на преобразуване на химикалите. Що се отнася до добавянето на химикали, химическите добавки, като буферни агенти, хелатори и йонообменници, които спомагат за предотвратяване на образуването на пасивиращ слой Mg(OH)2, произвеждат примеси в процеса на цикъл след Mg.

Решение: Ултразвуково диспергиране на магнезиев хидрид

Ултразвуковото диспергиране и мокрото фрезоване е високоефективна техника за производство на наноразмерни частици и кристали с много тясна крива на разпределение. Чрез равномерно диспергиране на магнезиевия хидрид в наноразмер, активната повърхност се увеличава значително. Освен това ултразвукът премахва пасивиращите слоеве и увеличава преноса на маса за превъзходни скорости на преобразуване на химикали. Ултразвуковото фрезоване, диспергиране, деагломерация и почистване на повърхността на частиците превъзхожда другите техники за фрезоване по ефективност, надеждност и простота.

Ултразвуковото мокро фрезоване и диспергиране е високоефективен метод за намаляване на размера на частиците, например на магнезиев хидрид

Наноструктуриран магнезиев хидрид като подобрено съхранение на водород

Научно доказано е, че наноструктуриращите магнезиеви хидриди са ефективна стратегия, която позволява едновременно да се подобрят термодинамичните и кинетичните свойства на MgH2. Наноразмерните / наноструктурирани структури на основата на магнезий като наночастици и нановлакна могат да бъдат допълнително подобрени чрез намаляване на размера на частиците и зърната, като по този начин се намалява енталпията на образуването на хидриди ΔH. Изчисленията разкриват, че реакционната бариера за разлагане на MgH2 с наноразмери е забележително по-ниска от тази на насипния MgH2, което показва, че инженерството на наноструктурата на MgH2 е термодинамично и кинетично благоприятно за подобрената производителност. (срв. Ren et al., 2023)

Сравнение на енергийните бариери за поглъщане и десорбция на водород на насипен MgH2 и наноструктуриран ултрафин MgH2.
(проучване и графика: ©Zhang et al., 2020)

Ултразвуково наноразмеряване и наноструктуриране на магнезиев хидрид

Ултразвуковото наноструктуриране е високоефективна техника, която позволява да се промени термодинамиката на магнезиевия хидрид, без да се засяга водородният капацитет. Ултрафините наночастици MgH2 показват значително подобрен капацитет за водородна десорбция. Нанооразмеряването на магнезиевия хидрид е начин за значително намаляване на температурата на водород ab-/десорбция и увеличаване на скоростта на повторно/дехидрогениране на MgH2, поради въвеждането на дефекти, скъсяване на пътищата на водородна дифузия, увеличаване на местата на нуклеация и дестабилизация на връзката Mg-H.
Простата сонохимична обработка осигурява възможност за образуване на нискоенергийни хидриди, особено в случай на третиране на магнезиеви частици. Например Baidukova et al. (2026) демонстрира възможността за образуване на нискоенергийни хидриди в пореста матрица на магнезий-магнезиев хидроксид чрез сонохимична обработка на магнезиеви частици във водни суспензии.

Сонохимично синтезиран наномагнезиев хидрид за ефективно съхранение на водород

Ултразвуково подготвените магнезиеви хидридни наночастици постигат обратимост при околната температура от 6,7 тегловни % обратимо съхранение на водород
Използването на леки метални хидриди като носители за съхранение на водород е обещаващ подход за безопасно и ефективно съхранение на водород. Един конкретен метален хидрид, магнезиев хидрид (MgH2), придоби значителен интерес поради високото си съдържание на водород и изобилието от магнезий в природата. Въпреки това, насипният MgH2 има недостатъка, че е стабилен, освобождавайки водород само при много високи температури над 300°C. Това е непрактично и неефективно за приложения, свързани със съхранението на водород.
Zhang et al. (2020) изследват възможността за обратимо съхранение на водород при температура на околната среда чрез създаване на ултрафини наночастици на MgH2. Те използваха ултразвук, за да инициират процес на метатеза, който на практика е процес на двойно разлагане. Соникацията се прилага върху суспензия, състояща се от течност и твърди вещества с цел създаване на наночастици. Тези наночастици, без никакви допълнителни структури на скелето, са успешно произведени с размери предимно около 4-5 nm. За тези наночастици y измерва обратим капацитет за съхранение на водород от 6,7 тегловни % при 30°C, значително постижение, което не е демонстрирано досега. Това стана възможно благодарение на термодинамичната дестабилизация и намалените кинетични бариери. Голите наночастици също показват стабилно и бързо поведение на водородния цикъл по време на 50 цикъла при 150°C, забележително подобрение в сравнение с насипния MgH2. Тези открития представят ултразвука като потенциално третиране, водещо до по-висока ефективност на MgH2 за съхранение на водород.
(срв. Zhang et al. 2020)

Разпределение на размера на частиците ултрафино MgH2, приготвено след ултразвук.
(проучване и графика: ©Zhang et al., 2020)

Високоефективни ултразвукови апарати за лечение с магнезиев хидрид

Сонохимия – прилагането на мощен ултразвук към химични реакции – е надеждна технология за обработка, която улеснява и ускорява синтеза, каталитичните реакции и други хетерогенни реакции. Портфолиото на Hielscher Ultrasonics обхваща пълната гама от компактни лабораторни ултразвукови апарати до индустриални сонохимични системи за всички видове химически приложения, като хидролиза на магнезиев хидрид и неговото нанофрезоване/наноструктуриране. Това ни позволява в Hielscher да ви предложим най-подходящия ултразвуков уред за вашия предвиден процес на MgH2. Нашият дългогодишен опитен персонал ще ви помогне от тестовете за осъществимост и оптимизацията на процеса до инсталирането на вашата ултразвукова система на крайно производствено ниво.
Малкият отпечатък на нашите ултразвукови хомогенизатори, както и тяхната гъвкавост в опциите за монтаж, ги правят подходящи дори в съоръжения за обработка с малки пространства. Ултразвуковите процесори са инсталирани по целия свят в съоръжения за фина химия, нефтохимия и производство на наноматериали.

партиден и вграден

Сонохимичното оборудване на Hielscher може да се използва за партидна и непрекъсната проточна обработка. Ултразвуковата партидна обработка е идеална за тестване на процеси, оптимизация и ниско до средно производствено ниво. За производство на големи обеми материали поточната обработка може да бъде по-изгодна. Непрекъснатият процес на смесване изисква сложна настройка – състоящ се от помпа, маркучи или тръби и резервоари -, но е високоефективен, бърз и изисква значително по-малко труд. Hielscher Ultrasonics разполага с най-подходящата сонохимична настройка за вашата реакция на соносинтез, обем на обработка и цели.

Ултразвукови сонди и реактори за хидролиза на MgH2 във всякакъв мащаб

Продуктовата гама на Hielscher Ultrasonics обхваща пълния спектър от ултразвукови процесори от компактни лабораторни ултразвукови процесори през настолни и пилотни системи до напълно индустриални ултразвукови процесори с капацитет за обработка на камиони на час. Пълната продуктова гама ни позволява да ви предложим най-подходящия ултразвуков хомогенизатор за вашия технологичен капацитет и производствени цели.
Ултразвуковите настолни системи са идеални за тестване на осъществимост и оптимизиране на процесите. Линейното мащабиране въз основа на установени параметри на процеса улеснява увеличаването на капацитета за обработка от по-малки партиди до напълно търговско производство. Увеличаването на мащаба може да се извърши чрез инсталиране на по-мощен ултразвуков блок или чрез групиране на няколко ултразвукови апарата паралелно. С UIP16000 Hielscher предлага най-мощния ултразвуков хомогенизатор в света.

Прецизно контролирани амплитуди за оптимални резултати

Всички ултразвукови апарати на Hielscher са прецизно управляеми и по този начин надеждни работни коне в производството. Амплитудата е един от ключовите параметри на процеса, които влияят върху ефективността и ефективността на сонохимичните реакции Всички процесори Hielscher Ultrasonics позволяват прецизна настройка на амплитудата. Сонотродите и усилващите клаксони са аксесоари, които позволяват да се променя амплитудата в още по-широк диапазон. Индустриалните ултразвукови процесори на Hielscher могат да осигурят много високи амплитуди и да осигурят необходимия ултразвуков интензитет за взискателни приложения. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7.
Прецизните настройки на амплитудата и постоянното наблюдение на параметрите на ултразвуковия процес чрез интелигентен софтуер ви дават възможност да третирате вашите реаганти с най-ефективните ултразвукови условия. Оптимална ултразвук за изключителна степен на преобразуване на химикали!
Здравината на ултразвуковото оборудване на Hielscher позволява 24/7 работа при тежки натоварвания и в взискателни среди. Това прави ултразвуковото оборудване на Hielscher надежден работен инструмент, който отговаря на вашите изисквания за химически процес.

Най-високо качество – Проектиран и произведен в Германия

Като семеен и семеен бизнес, Hielscher дава приоритет на най-високите стандарти за качество на своите ултразвукови процесори. Всички ултразвукови апарати са проектирани, произведени и щателно тествани в централата ни в Телтов близо до Берлин, Германия. Здравината и надеждността на ултразвуковото оборудване на Hielscher го правят работен кон във вашето производство. Работа 24/7 при пълно натоварване и в взискателни среди е естествена характеристика на високопроизводителните смесители на Hielscher.
Индустриалните ултразвукови процесори Hielscher Ultrasonics могат да осигурят много високи амплитуди. Амплитуди до 200 μm могат лесно да работят непрекъснато в режим на работа 24/7. За още по-високи амплитуди се предлагат персонализирани ултразвукови сонотроди.

Таблицата по-долу ви дава представа за приблизителния капацитет на обработка на нашите ултразвукови апарати: