Nano hydrid hořečnatý jako efektivní skladování vodíku

Sonikace se aplikuje na hydrid hořečnatý, aby se urychlila hydrolýza hydridu hořečnatého pro zvýšení tvorby vodíku. Ultrazvukově nanostrukturovaný hydrid hořečnatý, tj. nanočástice MgH2, navíc vykazují zlepšenou kapacitu pro skladování vodíku.

Hydrid hořečnatý pro skladování vodíku

Hydrid hořečnatý, MgH₂, vzbudil širokou pozornost jako možnost skladování vodíku. Hlavními výhodami jsou jeho bohaté zdroje, vysoký výkon, nízká hmotnost, nízké náklady a bezpečnost. Ve srovnání s jinými hydridy využitelnými pro skladování vodíku je MgH₂ Má nejvyšší hustotu skladování vodíku až 7,6 % hmot. Vodík může být skladován v Mg ve formě hydridů kovů na bázi Mg. Proces syntézy MgH2 je známý jako disociativní chemisorpce. Běžnou metodou výroby hydridu kovu na bázi Mg z Mg a H2 je tvorba při teplotě 300–400 °C a tlaku vodíku 2,4–40 MPa. Rovnice tvorby je následující: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Vysoké tepelné zpracování je spojeno s významnými degradačními účinky hydridů, jako je rekrystalizace, fázová segregace, aglomerace nanočástic atd. Kromě toho vysoké teploty a tlaky způsobují, že tvorba MgH2 je energeticky náročná, složitá a tím i nákladná.

Ultrazvuková hydrolýza hydridu hořečnatého

Hiroi et al. (2011) prokázali, že sonikace nanočástic MgH2 a nanovláken zintenzivnila hydrolytační reakci MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. V této studii vykazovala nanovlákna MgH2 maximální kapacitu pro skladování vodíku 14,4 hmotnostních % při pokojové teplotě. Výzkumníci navíc prokázali, že kombinace sonikace a hydrolýzy MgH2 je značně účinná pro efektivní výrobu vodíku bez zahřívání a přidávání jakéhokoli chemického činidla. Zjistili také, že nízkofrekvenční ultrazvuk je nejúčinnější metodou pro dosažení vysokého konverzního poměru. Rychlost hydrolýzy při nízkofrekvenční sonikaci "dosáhla až 76%, pokud jde o stupeň reakce při 7,2 ks při ultrazvukové frekvenci 28 kHz. Tato hodnota byla více než 15krát vyšší než hodnota získaná v případě nesonikovaného vzorku, což naznačuje ekvivalentní hustotu vodíku 11,6 hmotnostního % na základě hmotnosti MgH2.
Výsledky ukázaly, že ultrazvuk zvýší hydrolytickou reakci MgH2 zvýšením konstanty reakční rychlosti v důsledku tvorby radikálu a exfoliací pasivní vrstvy Mg(OH)2 nad nezreagovaným MgH2 v důsledku generování velkých smykových sil. (Hiroi et al. 2011)

Problém: Pomalá hydrolýza hydridu hořečnatého

Byla zkoumána podpora hydrolýzy hydridu hořečnatého prostřednictvím kulového mletí, úpravy horkou vodou nebo chemických přísad, ale nebylo zjištěno, že by významným způsobem zvyšovala rychlost chemické přeměny. Pokud jde o přidávání chemikálií, chemické přísady, jako jsou pufrovací činidla, chelátory a iontoměniče, které pomáhaly zabránit tvorbě pasivující vrstvy Mg(OH)2, produkovaly nečistoty v procesu cyklování po Mg.

Řešení: Ultrazvuková dispergace hydridu hořečnatého

Ultrazvuková dispergace a mokré mletí je vysoce účinná technika pro výrobu nanočástic a krystalů s velmi úzkou distribuční křivkou. Rovnoměrnou dispergací hydridu hořečnatého v nanovelikosti se aktivní povrchová plocha výrazně zvětší. Kromě toho sonikace odstraňuje pasivační vrstvy a zvyšuje přenos hmoty pro vynikající míru chemické konverze. Ultrazvukové frézování, dispergování, deaglomerace a čištění povrchu částic vynikají ostatními frézovacími technikami v účinnosti, spolehlivosti a jednoduchosti.

Ultrazvukové mokré mletí a dispergace je vysoce účinná metoda pro snížení velikosti částic, např. hydridu hořečnatého

Nanostrukturovaný hydrid hořečnatý jako lepší skladování vodíku

Bylo vědecky dokázáno, že nanostrukturování hydridů hořečnatých je účinná strategie, která umožňuje současně zlepšit ab/desorpční termodynamické a kinetické vlastnosti MgH2. Nano-velké / nano-strukturované struktury na bázi hořčíku, jako jsou MgH2 nanočástice a nanovlákna, mohou být dále vylepšeny snížením velikosti částic a zrn, čímž se sníží jejich entalpie tvorby hydridů ΔH. Výpočty odhalily, že reakční bariéra pro rozklad nanočástic MgH2 byla výrazně nižší než u objemového MgH2, což naznačuje, že nanostrukturní inženýrství MgH2 je termodynamicky a kineticky příznivé pro zvýšený výkon. (srov. Ren et al., 2023)

Porovnání energetických bariér pro absorpci a desorpci vodíku objemového MgH2 a nanostrukturovaného ultrajemného MgH2.
(studie a graf: ©Zhang et al., 2020)

Ultrazvukové nanozvětšování a nanostrukturování hydridu hořečnatého

Ultrazvukové nanostrukturování je vysoce účinná technika, která umožňuje změnit termodynamiku hydridu hořečnatého bez ovlivnění kapacity vodíku. Ultrajemné nanočástice MgH2 vykazují výrazně zlepšenou desorpční kapacitu vodíku. Nano-dimenzování hydridu hořečnatého je způsob, jak významně snížit teplotu absorpce vodíku / desorpce a zvýšit rychlost re/dehydrogenace MgH2 v důsledku zavedení defektů, zkrácení cest difúze vodíku, zvýšení nukleačních míst a destabilizace vazby Mg-H.
Jednoduchá sonochemická úprava poskytuje možnost tvorby nízkoenergetických hydridů, zejména v případě úpravy částicemi hořčíku. Například Baidukova et al. (2026) prokázali možnost tvorby nízkoenergetických hydridů v porézní matrici hydroxidu hořečnatého a hořečnatého pomocí sonochemické úpravy částic hořčíku ve vodných suspenzích.

Sonochemicky syntetizovaný nano-magnesium hydrid pro efektivní skladování vodíku

Ultrazvukem připravené nanočástice hydridu hořečnatého dosahují reverzibility vůči okolní teplotě 6,7 hm% reverzibilního skladování vodíku
Použití hydridů lehkých kovů jako nosičů pro skladování vodíku je slibným přístupem k bezpečnému a efektivnímu skladování vodíku. Jeden konkrétní hydrid kovu, hydrid hořečnatý (MgH2), si získal značný zájem díky svému vysokému obsahu vodíku a množství hořčíku v přírodě. Sypký MgH2 má však tu nevýhodu, že je stabilní a uvolňuje vodík pouze při velmi vysokých teplotách vyšších než 300 °C. To je nepraktické a neefektivní pro aplikace související se skladováním vodíku.
Zhang et al. (2020) zkoumali možnost reverzibilního skladování vodíku při teplotě okolí vytvořením ultrajemných nanočástic MgH2. Použili sonikaci k zahájení procesu metateze, což je v podstatě proces dvojitého rozkladu. Sonikace byla aplikována na suspenzi skládající se z kapaliny a pevných látek za účelem vytvoření nanočástic. Tyto nanočástice, bez jakýchkoli dalších struktur lešení, byly úspěšně vyrobeny o velikosti převážně kolem 4-5 nm. U těchto nanočástic byla naměřena reverzibilní skladovací kapacita vodíku 6,7 hm% při 30 °C, což je významný úspěch, který dosud nebyl prokázán. To bylo možné díky termodynamické destabilizaci a sníženým kinetickým bariérám. Holé nanočástice také vykazovaly stabilní a rychlé cyklické chování vodíku během 50 cyklů při 150 °C, což je pozoruhodné zlepšení ve srovnání s objemem MgH2. Tato zjištění představují sonikaci jako potenciální léčbu vedoucí k vyšší účinnosti MgH2 pro skladování vodíku.
(srov. Zhang et al. 2020)

Distribuce velikosti částic ultrafine MgH2 připraveno po sonikaci.
(studie a graf: ©Zhang et al., 2020)

Vysoce výkonné ultrasonicators pro léčbu hydridem hořečnatým

Sonochemie – Aplikace výkonového ultrazvuku na chemické reakce – je spolehlivá technologie zpracování, která usnadňuje a urychluje syntézy, katalytické reakce a další heterogenní reakce. Hielscher Ultrazvuk portfolio pokrývá celou řadu od kompaktních laboratorních ultrasonicators až po průmyslové sonochemické systémy pro všechny druhy chemických aplikací, jako je hydrolýza hydridu hořečnatého a jeho nano-frézování / nano-strukturování. To nám umožňuje v Hielscher nabídnout vám nejvhodnější ultrasonikátor pro váš předpokládaný proces MgH2. Naši dlouholetí zkušení pracovníci vám pomohou od testů proveditelnosti a optimalizace procesů až po instalaci vašeho ultrazvukového systému na úrovni finální výroby.
Díky malé stopě našich ultrazvukových homogenizátorů a jejich univerzálnosti v možnostech instalace se hodí i do malých zpracovatelských zařízení. Ultrazvukové procesory jsou instalovány po celém světě v zařízeních na výrobu jemné chemie, petrochemie a nanomateriálů.

Dávkové a inline

Hielscher sonochemické zařízení lze použít pro dávkové a kontinuální průtokové zpracování. Ultrazvukové dávkové zpracování je ideální pro testování procesů, optimalizaci a malou až středně velkou úroveň výroby. Pro výrobu velkých objemů materiálů může být výhodnější inline zpracování. Proces kontinuálního inline míchání vyžaduje sofistikované nastavení – Skládá se z čerpadla, hadic nebo potrubí a nádrží -, ale je vysoce účinný, rychlý a vyžaduje výrazně méně práce. Hielscher Ultrasonics má nejvhodnější sonochemické nastavení pro vaši sono-syntetickou reakci, objem zpracování a cíle.

Ultrazvukové sondy a reaktory pro hydrolýzu MgH2 v jakémkoli měřítku

Produktová řada Hielscher Ultrasonics pokrývá celé spektrum ultrazvukových procesorů od kompaktních laboratorních ultrasonicators přes stolní a pilotní systémy až po plně průmyslové ultrazvukové procesory s kapacitou pro zpracování nákladních automobilů za hodinu. Kompletní sortiment produktů nám umožňuje nabídnout vám nejvhodnější ultrazvukový homogenizátor pro vaši procesní kapacitu a výrobní cíle.
Ultrazvukové stolní systémy jsou ideální pro testování proveditelnosti a optimalizaci procesů. Lineární škálování založené na zavedených procesních parametrech umožňuje velmi snadno zvýšit zpracovatelské kapacity od menších šarží až po plně komerční výrobu. Up-scaling lze provést buď instalací výkonnější ultrazvukové jednotky, nebo shlukováním několika ultrazvukových zařízení paralelně. S UIP16000 nabízí Hielscher nejvýkonnější ultrazvukový homogenizátor na světě.

Přesně regulovatelné amplitudy pro optimální výsledky

Všechny Hielscher ultrasonicators jsou přesně ovladatelné a tím spolehlivé pracovní koně ve výrobě. Amplituda je jedním z klíčových procesních parametrů, které ovlivňují účinnost a účinnost sonochemických reakcí Všechny procesory Hielscher Ultrasonics umožňují přesné nastavení amplitudy. Sonotrody a posilovací rohy jsou příslušenství, které umožňuje upravit amplitudu v ještě širším rozsahu. Hielscher průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy a dodávat požadovanou ultrazvukovou intenzitu pro náročné aplikace. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7.
Přesné nastavení amplitudy a trvalé sledování parametrů ultrazvukového procesu pomocí inteligentního softwaru vám dává možnost ošetřit vaše pacienty nejefektivnějšími ultrazvukovými podmínkami. Optimální sonikace pro vynikající míru chemické konverze!
Robustnost ultrazvukového zařízení Hielscher umožňuje provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu v náročném provozu a v náročných prostředích. Díky tomu je ultrazvukové zařízení Hielscher spolehlivým pracovním nástrojem, který splňuje požadavky vašeho chemického procesu.

Nejvyšší kvalita – Navrženo a vyrobeno v Německu

Jako rodinný podnik Hielscher upřednostňuje nejvyšší standardy kvality svých ultrazvukových procesorů. Všechny ultrasonicators jsou navrženy, vyrobeny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow poblíž Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukového zařízení Hielscher z něj činí pracovního koně ve vaší výrobě. Provoz 24 hodin denně, 7 dní v týdnu při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou charakteristikou vysoce výkonných míchadel Hielscher.
Hielscher Ultrazvukové průmyslové ultrazvukové procesory mohou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200 μm lze snadno nepřetržitě provozovat v provozu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici přizpůsobené ultrazvukové sonotrody.

Níže uvedená tabulka vám poskytuje přibližný přehled o zpracovatelské kapacitě našich ultrasonicators: