Magnezijum hidrid nanometarskih dimenzija kao efikasno skladištenje vodika

Ultrazvučna obrada (sonikacija) primjenjuje se na magnezijum hidrid kako bi se ubrzala hidroliza magnezijum hidrida i pojačalo stvaranje vodika. Osim toga, ultrazvučno nanostrukturirani magnezijum hidrid, tj. MgH₂ nanočestice, pokazuje poboljšan kapacitet skladištenja vodika.

Magnezijum hidrid za skladištenje vodika

Magnezijum hidrid, MgH₂, privukao je široku pažnju kao opcija za skladištenje vodika. Glavne prednosti su mu obilni resursi, visoke performanse, mala težina, niska cijena i sigurnost. U poređenju s drugim hidridima koji se mogu koristiti za skladištenje vodika, MgH₂ ima najveće gustoće skladištenja vodika, do 7,6 wt %. Vodik se može skladištiti u Mg u obliku metalnih hidrida na bazi Mg. Proces sinteze MgH₂ poznat je kao disocijativna kemisorpcija. Uobičajena metoda za proizvodnju metalnog hidrida na bazi Mg iz Mg i H2 jeste njegovo formiranje na temperaturi od 300–400°C i pri tlaku vodika od 2,4–40 MPa. Jednačina formiranja glasi: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Visokotemperaturna obrada dovodi do značajnih degradacijskih efekata na hidride, kao što su rekristalizacija, segregacija faza, aglomeracija nanočestica itd. Osim toga, visoke temperature i tlakovi čine formiranje MgH2 energetski intenzivnim, složenim i samim tim skupim.

Ultrazvučna hidroliza magnezijum hidrida

Hiroi i saradnici (2011) pokazali su da je ultrazvučna obrada MgH₂ nanočestica i nanovlakana intenzivirala reakciju hidrolize MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. U toj studiji MgH₂ nanovlakna pokazala su maksimalni kapacitet skladištenja vodika od 14,4 mass% na sobnoj temperaturi. Osim toga, istraživači su pokazali da je kombinacija ultrazvučne obrade i hidrolize MgH₂ izuzetno djelotvorna za efikasno stvaranje vodika bez zagrijavanja i dodavanja bilo kakvog kemijskog agensa. Također su otkrili da je ultrazvuk niske frekvencije bio najefikasnija metoda za postizanje visoke stope konverzije. Brzina hidrolize pri ultrazvučnoj obradi niske frekvencije „dostigla je čak 76% u smislu stepena reakcije nakon 7,2 ks pri ultrazvučnoj frekvenciji od 28 kHz. Ta vrijednost bila je više od 15 puta veća od vrijednosti dobivene u slučaju uzorka koji nije bio ultrazvučno obrađen, što ukazuje na ekvivalentnu gustoću vodika od 11,6 mass% na osnovu mase MgH₂.“
Rezultati su pokazali da će ultrazvuk pojačati reakciju hidrolize MgH₂ povećanjem konstante brzine reakcije zbog stvaranja radikala i ljuštenjem pasivnog sloja Mg(OH)₂ preko neizreagovanog MgH₂ zbog stvaranja velikih smičnih sila. (Hiroi i saradnici 2011)

Problem: spora hidroliza magnezijum hidrida

Podsticanje hidrolize magnezijum hidrida kuglastim mljevenjem, tretmanom vrućom vodom ili kemijskim aditivima je istraživano, ali nije utvrđeno da na značajan način poboljšava stopu kemijske konverzije. Što se tiče dodavanja kemikalija, kemijski aditivi, kao što su puferska sredstva, helatori i ionski izmjenjivači, koji su pomagali u sprječavanju formiranja pasivizirajućeg sloja Mg(OH)₂, proizvodili su nečistoće u procesu ciklusa nakon Mg.

Rješenje: ultrazvučno dispergiranje magnezijum hidrida

Ultrazvučno dispergiranje i mokro mljevenje vrlo je efikasna tehnika za proizvodnju čestica i kristala nanometarskih dimenzija s vrlo uskom krivuljom raspodjele. Ravnomjernim dispergiranjem magnezijum hidrida u nanometarskoj veličini, aktivna površina se značajno povećava. Nadalje, ultrazvučna obrada uklanja pasivizirajuće slojeve i povećava prijenos mase, čime se postižu superiorne stope kemijske konverzije. Ultrazvučno mljevenje, dispergiranje, deaglomeracija i čišćenje površine čestica nadmašuju druge tehnike mljevenja u efikasnosti, pouzdanosti i jednostavnosti.

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

Nanostrukturirani magnezijum hidrid kao poboljšano skladištenje vodika

Nanostrukturiranje magnezijum hidrida naučno je dokazano kao djelotvorna strategija koja omogućava istovremeno poboljšanje termodinamičkih i kinetičkih svojstava ab/de-sorpcije MgH2. Strukture na bazi magnezijuma nanometarskih dimenzija / nanostrukturirane strukture, kao što su MgH2 nanočestice i nanovlakna, mogu se dodatno poboljšati smanjenjem veličine čestica i zrna, čime se smanjuje njihova entalpija formiranja hidrida ΔH. Proračuni su pokazali da je reakcijska barijera za razgradnju MgH2 nanometarskih dimenzija bila znatno niža od one za masivni MgH2, što ukazuje na to da je nanostrukturni inženjering MgH2 termodinamički i kinetički povoljan za poboljšane performanse. (usp. Ren i saradnici, 2023)

Poređenje energetskih barijera za apsorpciju i desorpciju vodika kod masivnog MgH₂ i nanostrukturiranog ultrafinog MgH₂.
(studija i grafikon: ©Zhang i saradnici, 2020)

Ultrazvučno nanodimenzioniranje i nanostrukturiranje magnezijum hidrida

Ultrazvučno nanostrukturiranje vrlo je djelotvorna tehnika koja omogućava promjenu termodinamike magnezijum hidrida bez utjecaja na kapacitet vodika. Ultrafine MgH₂ nanočestice pokazuju značajno poboljšan kapacitet desorpcije vodika. Nanodimenzioniranje magnezijum hidrida način je da se značajno snizi temperatura ab-/de-sorpcije vodika i poveća brzina re/de-hidrogenacije MgH₂, zahvaljujući uvođenju defekata, skraćivanju puteva difuzije vodika, povećanju broja mjesta nukleacije i destabilizaciji Mg–H veze.
Jednostavna sonokemijska obrada pruža mogućnost formiranja niskoenergetskih hidrida, naročito u slučaju obrade čestica magnezijuma. Na primjer, Baidukova i saradnici (2026) pokazali su mogućnost formiranja niskoenergetskih hidrida u poroznoj matrici magnezijum–magnezijum hidroksid putem sonokemijske obrade čestica magnezijuma u vodenim suspenzijama.

Sonokemijski sintetizirani nano-magnezijum hidrid za efikasno skladištenje vodika

Ultrazvučno pripremljene nanočestice magnezijum hidrida postižu reverzibilnost na ambijentalnoj temperaturi uz 6,7 wt% reverzibilnog skladištenja vodika
Korištenje hidrida lakih metala kao nosilaca za skladištenje vodika obećavajući je pristup sigurnom i efikasnom skladištenju vodika. Jedan konkretan metalni hidrid, magnezijum hidrid (MgH2), izazvao je značajan interes zbog visokog sadržaja vodika i obilja magnezijuma u prirodi. Međutim, masivni MgH2 ima nedostatak što je stabilan i oslobađa vodik tek na vrlo visokim temperaturama iznad 300°C. To je nepraktično i neefikasno za primjene vezane uz skladištenje vodika.
Zhang i saradnici (2020) istražili su mogućnost reverzibilnog skladištenja vodika na ambijentalnoj temperaturi stvaranjem ultrafinih nanočestica MgH₂. Koristili su ultrazvučnu obradu kako bi pokrenuli proces metateze, koji je zapravo proces dvostruke razgradnje. Ultrazvučna obrada primijenjena je na suspenziju koja se sastoji od tekućine i čvrstih tvari s ciljem stvaranja nanočestica. Te nanočestice, bez ikakvih dodatnih potpornih struktura, uspješno su proizvedene s veličinama pretežno oko 4-5 nm. Za te nanočestice su izmjerili reverzibilni kapacitet skladištenja vodika od 6,7 wt% na 30°C, što je značajno postignuće koje ranije nije bilo pokazano. To je omogućeno termodinamičkom destabilizacijom i smanjenim kinetičkim barijerama. Gole nanočestice također su pokazale stabilno i brzo ciklično ponašanje vodika tokom 50 ciklusa na 150°C, što je značajno poboljšanje u odnosu na masivni MgH₂. Ovi nalazi predstavljaju ultrazvučnu obradu kao potencijalni tretman koji vodi većoj efikasnosti MgH₂ za skladištenje vodika.
(usp. Zhang i saradnici 2020)

Raspodjela veličine čestica ultrafinog MgH₂ pripremljenog nakon ultrazvučne obrade.
(studija i grafikon: ©Zhang i saradnici, 2020)

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za obradu magnezijum hidrida

Sonokemija – primjena snažnog ultrazvuka na kemijske reakcije – pouzdana je procesna tehnologija koja olakšava i ubrzava sinteze, katalitičke reakcije i druge heterogene reakcije. Portfolio kompanije Hielscher Ultrasonics pokriva čitav raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih sonokemijskih sistema za sve vrste kemijskih primjena, kao što su hidroliza magnezijum hidrida i njegovo nanomljevenje / nanostrukturiranje. To nam u kompaniji Hielscher omogućava da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš planirani MgH2 proces. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testova izvodljivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sistema na nivou konačne proizvodnje.
Mala površina koju zauzimaju naši ultrazvučni homogenizatori, kao i njihova svestranost u opcijama instalacije, omogućavaju da se uklope čak i u procesne pogone s malo prostora. Ultrazvučni procesori instalirani su širom svijeta u pogonima za finu hemiju, petrohemiju i proizvodnju nanomaterijala.

Šaržno i inline

Hielscher sonokemijska oprema može se koristiti za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Ultrazvučna šaržna obrada idealna je za testiranje procesa, optimizaciju i proizvodnju malog do srednjeg obima. Za proizvodnju velikih količina materijala, inline obrada može biti povoljnija. Kontinuirani inline proces miješanja zahtijeva sofisticiranu postavku – koja se sastoji od pumpe, crijeva ili cijevi i rezervoara –, ali je vrlo efikasan, brz i zahtijeva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniju sonokemijsku postavku za vašu reakciju sono-sinteze, procesni volumen i ciljeve.

Ultrazvučne sonde i reaktori za hidrolizu MgH₂ u bilo kojem obimu

Asortiman proizvoda kompanije Hielscher Ultrasonics pokriva čitav spektar ultrazvučnih procesora, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilot sistema do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade kamiona tereta na sat. Cjelokupni asortiman omogućava nam da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni homogenizator za vaš procesni kapacitet i proizvodne ciljeve.
Ultrazvučni stolni sistemi idealni su za testiranje izvodljivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje obima na osnovu utvrđenih procesnih parametara vrlo olakšava povećanje procesnih kapaciteta s manjih serija na potpuno komercijalnu proizvodnju. Povećanje obima može se postići instaliranjem snažnije ultrazvučne jedinice ili paralelnim povezivanjem više ultrazvučnih uređaja u klaster. Uz UIP16000, Hielscher nudi najsnažniji ultrazvučni homogenizator na svijetu.

Precizno podesive amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrazvučni uređaji precizno su podesivi i stoga su pouzdani radni konji u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na efikasnost i djelotvornost sonokemijskih reakcija Svi Hielscher Ultrasonics procesori omogućavaju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i booster rogovi dodatna su oprema koja omogućava izmjenu amplitude u još širem rasponu. Hielscher industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i osigurati potrebnu ultrazvučnu intenzivnost za zahtjevne primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7.
Precizne postavke amplitude i stalni nadzor ultrazvučnih procesnih parametara putem pametnog softvera daju vam mogućnost da svoje reagense obradite najdjelotvornijim ultrazvučnim uvjetima. Optimalna ultrazvučna obrada za izuzetnu stopu kemijske konverzije!
Robusnost Hielscher ultrazvučne opreme omogućava rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima. To čini Hielscher sonikatore pouzdanim radnim alatom koji ispunjava zahtjeve vašeg kemijskog procesa.

Najviši kvalitet – dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao porodična kompanija u porodičnom vlasništvu, Hielscher daje prioritet najvišim standardima kvaliteta za svoje ultrazvučne procesore. Svi ultrazvučni uređaji dizajnirani su, proizvedeni i temeljito testirani u našem sjedištu u Teltowu kraj Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost Hielscher ultrazvučne opreme čine je radnim konjem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je karakteristika Hielscher visokoučinkovitih miješalica.
Hielscher Ultrasonics industrijski ultrazvučni procesori mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako kontinuirano koristiti u radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.

Tabela u nastavku daje vam orijentaciju o približnom procesnom kapacitetu naših ultrazvučnih uređaja: