Magnezijum hidrid nano veličine kao efikasno skladištenje vodonika

Sonikacija se primjenjuje na magnezijev hidrid kako bi se ubrzala hidroliza magnezijum hidrida kako bi se poboljšalo stvaranje vodika. Dodatno, ultrazvučno nanostrukturirani magnezijum hidrid, tj. nanočestice MgH2, pokazuju poboljšani kapacitet skladištenja vodonika.

Magnezijum hidrid za skladištenje vodonika

Magnezijum hidrid, MgH₂, privukao je široku pažnju kao opcija za skladištenje vodonika. Glavne prednosti su njegovi bogati resursi, visoke performanse, mala težina, niska cijena i sigurnost. U poređenju sa drugim hidridima koji se mogu koristiti za skladištenje vodonika, MgH₂ ima najveću gustoću skladištenja vodonika do 7,6 tež.%. Vodik se može skladištiti u Mg u obliku metalnih hidrida na bazi Mg. Proces sinteze MgH2 poznat je kao disocijativna hemisorpcija. Uobičajena metoda za proizvodnju metalnog hidrida na bazi Mg iz Mg i H2 je formiranje na temperaturi od 300–400°C i pritisku vodonika od 2,4–40 MPa. Jednačina formiranja je sljedeća: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Visoka termička obrada dolazi sa značajnim efektima degradacije hidrida, kao što su rekristalizacija, segregacija faza, aglomeracija nanočestica itd. Nadalje, visoke temperature i pritisci čine stvaranje MgH2 energetski intenzivnim, složenim i samim tim skupim.

Ultrazvučna hidroliza magnezijum-hidrida

Hiroi et al. (2011) su pokazali da ultrazvuk nanočestica i nanovlakna MgH2 intenzivira reakciju hidrolize MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. U ovoj studiji, MgH2 nanovlakna su pokazala maksimalni kapacitet skladištenja vodonika od 14,4% masenih na sobnoj temperaturi. Dodatno, istraživači su pokazali da je kombinacija ultrazvučne obrade i hidrolize MgH2 značajno efikasna za efikasno stvaranje vodonika bez zagrijavanja i dodavanja bilo kakvog hemijskog sredstva. Također su otkrili da je ultrazvuk niske frekvencije najefikasniji metod za postizanje visoke stope konverzije. Brzina hidrolize pri niskofrekventnoj sonikaciji „dostigla je čak 76% u smislu stepena reakcije na 7,2 ks na ultrazvučnoj frekvenciji od 28 kHz. Ova vrijednost je bila više od 15 puta veća od vrijednosti dobijene u slučaju uzorka koji nije obrađen ultrazvukom, što ukazuje na ekvivalentnu gustinu vodonika od 11,6 masenih % na osnovu težine MgH2.”
Rezultati su otkrili da će ultrazvuk pojačati reakciju hidrolize MgH2 povećanjem konstante brzine reakcije zbog stvaranja radikala i ljuštenjem pasivnog sloja Mg(OH)2 preko neizreagiranog MgH2 zbog stvaranja velikih sila smicanja. (Hiroi et al. 2011.)

Problem: Spora hidroliza magnezijum hidrida

Promoviranje hidrolize magnezijum hidrida putem mljevenja kuglicama, tretmana toplom vodom ili hemijskih aditiva je istraženo, ali nije utvrđeno da povećava stopu hemijske konverzije na značajan način. Što se tiče dodavanja hemikalija, hemijski aditivi, kao što su puferski agensi, helatori i jonski izmenjivači, koji su pomogli da se spreči formiranje pasivirajućeg sloja Mg(OH)2, proizveli su nečistoće u procesu ciklusa posle Mg.

Rješenje: ultrazvučno raspršivanje magnezijum hidrida

Ultrazvučno raspršivanje i mokro mljevenje je visoko efikasna tehnika za proizvodnju čestica i kristala nano veličine sa vrlo uskom krivuljom raspodjele. Ravnomjerno dispergirajući magnezijev hidrid u nano-veličini, aktivna površina postaje značajno povećana. Nadalje, sonikacija uklanja pasivizirajuće slojeve i povećava prijenos mase za superiorne stope kemijske konverzije. Ultrazvučno mlevenje, dispergovanje, deaglomeracija i čišćenje površine čestica nadmašuju druge tehnike mlevenja u efikasnosti, pouzdanosti i jednostavnosti.

Ultrazvučno mokro mljevenje i dispergiranje je visoko efikasna metoda za smanjenje veličine čestica, npr. magnezijum hidrida

Nanostrukturirani magnezijum hidrid kao poboljšano skladištenje vodonika

Nanostrukturiranje magnezijum hidrida je naučno dokazano kao efikasna strategija koja omogućava istovremeno poboljšanje ab/desorpcionih termodinamičkih i kinetičkih svojstava MgH2. Nano-veličine/nano-strukturirane strukture zasnovane na magnezijumu kao što su nanočestice MgH2 i nanovlakna mogu se dodatno poboljšati smanjenjem veličine čestica i zrna, čime se smanjuje njihova entalpija formiranja hidrida ΔH. Proračuni su otkrili da je reakcijska barijera za razgradnju nano-veličine MgH2 bila značajno niža od one za masu MgH2, što ukazuje da je nanostrukturni inženjering MgH2 termodinamički i kinetički povoljan za poboljšane performanse. (up. Ren et al., 2023.)

Poređenje energetskih barijera za apsorpciju i desorpciju vodonika MgH2 i nanostrukturiranog ultrafinog MgH2.
(studija i grafikon: ©Zhang et al., 2020.)

Ultrazvučno nanoziranje i nanostrukturiranje magnezijum hidrida

Ultrazvučno nanostrukturiranje je veoma efikasna tehnika koja omogućava promenu termodinamike magnezijum hidrida bez uticaja na kapacitet vodonika. Ultra-fine nanočestice MgH2 pokazuju značajno poboljšani kapacitet desorpcije vodonika. Magnezijev hidrid nano-dimenzioniranja je način da se značajno smanji temperatura apsorpcije/desorpcije vodika i poveća stopa re/dehidrogenacije MgH2, zbog unošenja defekata, skraćivanja puteva difuzije vodika, povećanja nukleacijskih mjesta , i destabilizacija Mg–H veze.
Jednostavan sonohemijski tretman pruža mogućnost stvaranja niskoenergetskih hidrida, posebno u slučaju tretmana česticama magnezijuma. Na primjer, Baidukova et al. (2026) su pokazali mogućnost formiranja niskoenergetskih hidrida u poroznoj matrici magnezijum-magnezijum hidroksida pomoću sonohemijskog tretmana čestica magnezijuma u vodenim suspenzijama.

Sonohemijski sintetizovani nano-magnezijum hidrid za efikasno skladištenje vodonika

Ultrazvučno pripremljene nanočestice magnezijum hidrida postižu reverzibilnost na temperaturi okoline od 6,7 tež% reverzibilnog skladištenja vodonika
Korišćenje hidrida lakih metala kao nosača za skladištenje vodonika je obećavajući pristup za sigurno i efikasno skladištenje vodonika. Jedan poseban metalni hidrid, magnezijum hidrid (MgH2), je stekao značajno interesovanje zbog visokog sadržaja vodonika i obilja magnezijuma u prirodi. Međutim, veliki MgH2 ima nedostatak što je stabilan, otpuštajući vodonik samo na vrlo visokim temperaturama većim od 300°C. Ovo je nepraktično i neefikasno za aplikacije vezane za skladištenje vodonika.
Zhang et al. (2020) istraživali su mogućnost reverzibilnog skladištenja vodonika na temperaturi okoline stvaranjem ultrafinih nanočestica MgH2. Koristili su sonikaciju kako bi pokrenuli proces metateze, koji je zapravo proces dvostruke dekompozicije. Sonikacija je primijenjena na kašu koja se sastoji od tekućine i čvrstih tvari s ciljem stvaranja nanočestica. Ove nanočestice, bez ikakvih dodatnih struktura skele, uspješno su proizvedene s veličinama pretežno oko 4-5 nm. Za ove nanočestice, y je izmjerio reverzibilni kapacitet skladištenja vodonika od 6,7 tež% na 30°C, što je značajno postignuće koje nije ranije demonstrirano. To je omogućeno termodinamičkom destabilizacijom i smanjenim kinetičkim barijerama. Gole nanočestice su takođe pokazale stabilno i brzo ponašanje kruženja vodonika tokom 50 ciklusa na 150°C, što je značajno poboljšanje u poređenju sa velikim MgH2. Ovi nalazi predstavljaju sonikaciju kao potencijalni tretman koji vodi do veće efikasnosti MgH2 za skladištenje vodonika.
(usp. Zhang et al. 2020.)

Raspodjela veličine čestica ultrafini MgH2 pripremljen nakon sonikacije.
(studija i grafikon: ©Zhang et al., 2020.)

Ultrasonikatori visokih performansi za tretman magnezijum hidridom

Sonochemistry – primjena snažnog ultrazvuka na kemijske reakcije – je pouzdana tehnologija obrade, koja olakšava i ubrzava sinteze, katalitičke reakcije i druge heterogene reakcije. Hielscher Ultrasonics portfelj pokriva cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrasonikatora do industrijskih sonohemijskih sistema za sve vrste kemijskih primjena kao što je hidroliza magnezijevog hidrida i njegovo nano-mljevenje / nano-strukturiranje. Ovo nam u Hielscheru omogućava da vam ponudimo najprikladniji ultrasonikator za vaš predviđeni proces MgH2. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testiranja izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na konačnom nivou proizvodnje.
Mali otisak naših ultrazvučnih homogenizatora, kao i njihova svestranost u opcijama ugradnje, čine ih uklapanjem čak i u pogone za obradu malih prostora. Ultrazvučni procesori su instalirani širom svijeta u pogonima za finu hemiju, petrohemiju i proizvodnju nanomaterijala.

batch i inline

Hielscher sonohemijska oprema može se koristiti za serijsku i kontinuiranu protočnu obradu. Ultrazvučna serijska obrada je idealna za testiranje procesa, optimizaciju i nivo proizvodnje male do srednje veličine. Za proizvodnju velikih količina materijala, inline obrada bi mogla biti povoljnija. Kontinuirani inline proces miješanja zahtijeva sofisticirano podešavanje – koji se sastoji od pumpe, creva ili cevi i rezervoara -, ali je veoma efikasan, brz i zahteva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju sonohemijsku postavku za vašu reakciju sono-sinteze, volumen obrade i ciljeve.

Ultrazvučne sonde i reaktori za hidrolizu MgH2 u bilo kojoj mjeri

Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli spektar ultrazvučnih procesora od kompaktnih laboratorijskih ultrasonikatora preko stolnih i pilot sistema do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora sa kapacitetom za obradu kamiona po satu. Cijeli asortiman proizvoda nam omogućava da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni homogenizator za vaš procesni kapacitet i proizvodne ciljeve.
Ultrazvučni stoni sistemi su idealni za testiranje izvodljivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje na osnovu utvrđenih parametara procesa olakšava povećanje preradnih kapaciteta od manjih serija do potpuno komercijalne proizvodnje. Povećanje se može izvršiti bilo instaliranjem snažnije ultrazvučne jedinice ili grupiranjem nekoliko ultrazvučnih uređaja paralelno. Sa UIP16000, Hielscher nudi najmoćniji ultrazvučni homogenizator na svijetu.

Precizno kontrolisane amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrasonikatori su precizno kontrolirani i time pouzdani radni konji u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih parametara procesa koji utiču na efikasnost i efektivnost sonohemijskih reakcija Svi Hielscher Ultrasonics procesori omogućavaju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i buster rogovi su dodaci koji omogućavaju modificiranje amplitude u još širem rasponu. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne aplikacije. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi kontinuirano u radu 24 sata dnevno.
Precizna podešavanja amplitude i trajno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost da tretirate svoje reagante najefikasnijim ultrazvučnim uslovima. Optimalna sonikacija za izvanrednu stopu hemijske konverzije!
Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućava 24/7 rad u teškim uslovima iu zahtjevnim okruženjima. Ovo čini Hielscherovu ultrazvučnu opremu pouzdanim radnim alatom koji ispunjava vaše zahtjeve kemijskog procesa.

Najviša kvaliteta – Dizajniran i proizveden u Njemačkoj

Kao porodično preduzeće koje vodi porodica, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrasonikatori su dizajnirani, proizvedeni i temeljno testirani u našem sjedištu u Teltowu blizu Berlina, Njemačka. Robusnost i pouzdanost Hielscher ultrazvučne opreme čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. 24/7 rad pod punim opterećenjem iu zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscherovih miksera visokih performansi.
Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako raditi u kontinuitetu u radu 24/7. Za još veće amplitude, dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.

Tabela ispod daje vam indikaciju približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih aparata: