Hydrid hořečnatý v nanorozměrech jako účinné úložiště vodíku

Sonikace se aplikuje na hydrid hořečnatý za účelem urychlení hydrolýzy hydridu hořečnatého a zvýšení tvorby vodíku. Ultrazvukově nanostrukturovaný hydrid hořečnatý, tj. nanočástice MgH₂, navíc vykazuje zlepšenou kapacitu pro skladování vodíku.

Hydrid hořečnatý pro skladování vodíku

Hydrid hořečnatý, MgH₂, vzbudil širokou pozornost jako možnost pro skladování vodíku. Hlavními výhodami jsou jeho hojné zdroje, vysoký výkon, nízká hmotnost, nízká cena a bezpečnost. Ve srovnání s jinými hydridy použitelnými pro skladování vodíku má MgH₂ nejvyšší hustoty skladování vodíku, a to až 7,6 wt %. Vodík lze v Mg skladovat ve formě kovových hydridů na bázi Mg. Proces syntézy MgH₂ je znám jako disociativní chemisorpce. Běžnou metodou výroby kovového hydridu na bázi Mg z Mg a H2 je jeho tvorba při teplotě 300–400°C a tlaku vodíku 2,4–40 MPa. Rovnice tvorby je následující: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Vysokoteplotní zpracování je spojeno s výraznými degradačními účinky na hydridy, jako je rekrystalizace, fázová segregace, aglomerace nanočástic atd. Vysoké teploty a tlaky navíc činí tvorbu MgH2 energeticky náročnou, složitou, a tím i nákladnou.

Ultrazvuková hydrolýza hydridu hořečnatého

Hiroi et al. (2011) prokázali, že sonikace nanočástic a nanovláken MgH₂ zintenzivnila hydrolytickou reakci MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. V této studii vykazovala nanovlákna MgH₂ maximální kapacitu skladování vodíku 14,4 mass% při pokojové teplotě. Výzkumníci navíc prokázali, že kombinace sonikace a hydrolýzy MgH₂ je značně účinná pro efektivní generování vodíku bez zahřívání a bez přidání jakéhokoli chemického činidla. Zjistili také, že nízkofrekvenční ultrazvuk byl nejúčinnější metodou pro dosažení vysokého stupně konverze. Rychlost hydrolýzy při nízkofrekvenční sonikaci „dosáhla až 76% z hlediska stupně reakce za 7,2 ks při ultrazvukové frekvenci 28 kHz. Tato hodnota byla více než 15krát vyšší než hodnota získaná v případě nesonikovaného vzorku, což odpovídá ekvivalentní hustotě vodíku 11,6 mass% vztaženo na hmotnost MgH₂.“
Výsledky ukázaly, že ultrazvuk zesílí hydrolytickou reakci MgH₂ zvýšením rychlostní konstanty reakce v důsledku tvorby radikálů a odlupováním pasivní vrstvy Mg(OH)₂ na nezreagovaném MgH₂ v důsledku vzniku velkých smykových sil. (Hiroi et al. 2011)

Problém: Pomalá hydrolýza hydridu hořečnatého

Podpora hydrolýzy hydridu hořečnatého pomocí kulového mletí, úpravy horkou vodou nebo chemických přísad byla zkoumána, ale nebylo zjištěno, že by významně zvyšovala stupeň chemické konverze. Pokud jde o přidávání chemikálií, chemické přísady, jako jsou pufrovací činidla, chelatační činidla a iontoměniče, které pomáhaly zabránit tvorbě pasivační vrstvy Mg(OH)₂, vytvářely nečistoty v procesu cyklování post-Mg.

Řešení: Ultrazvukové dispergování hydridu hořečnatého

Ultrazvukové dispergování a mokré mletí je vysoce účinná technika výroby částic a krystalů v nanorozměrech s velmi úzkou distribuční křivkou. Rovnoměrným dispergováním hydridu hořečnatého v nanorozměrech se aktivní povrch výrazně zvětší. Sonikace navíc odstraňuje pasivační vrstvy a zvyšuje přenos hmoty, což vede k vynikajícímu stupni chemické konverze. Ultrazvukové mletí, dispergování, deaglomerace a čištění povrchu částic předčí jiné techniky mletí účinností, spolehlivostí a jednoduchostí.

Ultrazvukové mokré mletí a dispergování je vysoce účinná metoda zmenšování velikosti částic, např. hydridu hořečnatého

Nanostrukturovaný hydrid hořečnatý jako vylepšené úložiště vodíku

Nanostrukturování hydridů hořčíku bylo vědecky prokázáno jako účinná strategie, která umožňuje současně zlepšit termodynamické a kinetické vlastnosti ab-/desorpce MgH2. Struktury na bázi hořčíku v nanorozměrech / nanostrukturované, jako jsou nanočástice a nanovlákna MgH2, lze dále zlepšit zmenšením velikosti částic a zrn, čímž se sníží jejich entalpie tvorby hydridu ΔH. Výpočty ukázaly, že reakční bariéra pro rozklad MgH2 v nanorozměrech byla pozoruhodně nižší než u objemového MgH2, což naznačuje, že nanostrukturní inženýrství MgH2 je termodynamicky i kineticky příznivé pro zlepšenou výkonnost. (srov. Ren et al., 2023)

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

Ultrazvuková příprava nanočástic a nanostrukturování hydridu hořečnatého

Ultrazvukové nanostrukturování je vysoce účinná technika, která umožňuje změnit termodynamiku hydridu hořečnatého bez ovlivnění vodíkové kapacity. Ultrajemné nanočástice MgH₂ vykazují výrazně zlepšenou kapacitu desorpce vodíku. Zmenšení hydridu hořečnatého na nanorozměry představuje způsob, jak výrazně snížit teplotu ab-/desorpce vodíku a zvýšit rychlost re-/dehydrogenace MgH₂, a to díky zavedení defektů, zkrácení difuzních drah vodíku, zvýšení počtu nukleačních míst a destabilizaci vazby Mg–H.
Jednoduchá sonochemická úprava poskytuje možnost tvorby nízkoenergetických hydridů, zejména v případě úpravy částic hořčíku. Například Baidukova et al. (2026) prokázali možnost tvorby nízkoenergetických hydridů v porézní matrici hořčík-hydroxid hořečnatý pomocí sonochemické úpravy částic hořčíku ve vodných suspenzích.

Sonochemicky syntetizovaný nano-hydrid hořečnatý pro účinné skladování vodíku

Ultrazvukově připravené nanočástice hydridu hořečnatého dosahují reverzibility při okolní teplotě s 6,7 wt% reverzibilního skladování vodíku
Použití hydridů lehkých kovů jako nosičů pro skladování vodíku je slibným přístupem k bezpečnému a účinnému skladování vodíku. Jeden konkrétní kovový hydrid, hydrid hořečnatý (MgH2), vzbudil značný zájem díky vysokému obsahu vodíku a hojnému výskytu hořčíku v přírodě. Objemový MgH2 má však nevýhodu v tom, že je stabilní a uvolňuje vodík pouze při velmi vysokých teplotách nad 300°C. To je pro aplikace související se skladováním vodíku nepraktické a neefektivní.
Zhang et al. (2020) zkoumali možnost reverzibilního skladování vodíku při okolní teplotě vytvořením ultrajemných nanočástic MgH₂. Sonikaci použili k zahájení procesu metateze, což je v podstatě proces dvojitého rozkladu. Sonikace byla aplikována na suspenzi sestávající z kapaliny a pevných látek s cílem vytvořit nanočástice. Tyto nanočástice byly bez jakýchkoli dalších nosných (scaffold) struktur úspěšně připraveny s velikostmi převážně kolem 4–5 nm. U těchto nanočástic naměřili reverzibilní kapacitu skladování vodíku 6,7 wt% při 30°C, což je významný úspěch, který dosud nebyl prokázán. To bylo umožněno termodynamickou destabilizací a sníženými kinetickými bariérami. Holé nanočástice také vykazovaly stabilní a rychlé cyklování vodíku během 50 cyklů při 150°C, což je významné zlepšení ve srovnání s objemovým MgH₂. Tato zjištění představují sonikaci jako potenciální úpravu vedoucí k vyšší účinnosti MgH₂ pro skladování vodíku.
(srov. Zhang et al. 2020)

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

Vysoce výkonné ultrazvukové přístroje pro úpravu hydridu hořečnatého

Sonochemie – aplikace výkonového ultrazvuku na chemické reakce – je spolehlivá technologie zpracování, která usnadňuje a urychluje syntézy, katalytické reakce a další heterogenní reakce. Portfolio Hielscher Ultrasonics pokrývá celou škálu od kompaktních laboratorních ultrazvukových přístrojů až po průmyslové sonochemické systémy pro všechny druhy chemických aplikací, jako je hydrolýza hydridu hořečnatého a jeho nanomletí / nanostrukturování. To nám ve společnosti Hielscher umožňuje nabídnout vám nejvhodnější ultrazvukový přístroj pro váš plánovaný proces s MgH2. Naši dlouholetí zkušení pracovníci vám budou nápomocni od testů proveditelnosti a optimalizace procesu až po instalaci vašeho ultrazvukového systému na úrovni finální výroby.
Malá zastavěná plocha našich ultrazvukových homogenizátorů a jejich všestranné možnosti instalace umožňují jejich umístění i do prostorově omezených zpracovatelských provozů. Ultrazvukové procesory jsou instalovány po celém světě v provozech jemné chemie, petrochemie a výroby nanomateriálů.

Vsádkové a inline zpracování

Sonochemická zařízení Hielscher lze použít pro vsádkové i kontinuální průtokové zpracování. Ultrazvukové vsádkové zpracování je ideální pro testování procesů, optimalizaci a malou až středně velkou výrobu. Pro výrobu velkých objemů materiálů může být výhodnější inline zpracování. Kontinuální inline proces míchání vyžaduje propracované uspořádání – sestávající z čerpadla, hadic nebo potrubí a nádrží –, je však vysoce účinný, rychlý a vyžaduje výrazně méně práce. Hielscher Ultrasonics má nejvhodnější sonochemické uspořádání pro vaši sonosyntetickou reakci, zpracovávaný objem a cíle.

Ultrazvukové sondy a reaktory pro hydrolýzu MgH₂ v jakémkoli měřítku

Produktová řada Hielscher Ultrasonics pokrývá celé spektrum ultrazvukových procesorů od kompaktních laboratorních ultrazvukových přístrojů přes stolní a pilotní systémy až po plně průmyslové ultrazvukové procesory s kapacitou zpracovat za hodinu celé kamionové náklady. Celá produktová řada nám umožňuje nabídnout vám nejvhodnější ultrazvukový homogenizátor pro vaši procesní kapacitu a výrobní cíle.
Stolní ultrazvukové systémy jsou ideální pro testování proveditelnosti a optimalizaci procesu. Lineární zvětšení měřítka na základě stanovených procesních parametrů velmi usnadňuje zvýšení zpracovatelských kapacit od menších šarží až po plně komerční výrobu. Zvětšení měřítka lze provést buď instalací výkonnější ultrazvukové jednotky, nebo paralelním seskupením několika ultrazvukových přístrojů. S UIP16000 nabízí Hielscher nejvýkonnější ultrazvukový homogenizátor na světě.

Přesně nastavitelné amplitudy pro optimální výsledky

Všechny ultrazvukové přístroje Hielscher jsou přesně ovladatelné, a proto představují spolehlivé tahouny ve výrobě. Amplituda je jedním z klíčových procesních parametrů, které ovlivňují účinnost a efektivitu sonochemických reakcí Všechny procesory Hielscher Ultrasonics umožňují přesné nastavení amplitudy. Sonotrody a boostery jsou příslušenství, které umožňuje upravit amplitudu v ještě širším rozsahu. Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy a poskytovat potřebnou ultrazvukovou intenzitu pro náročné aplikace. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě provozovat v režimu 24/7.
Přesné nastavení amplitudy a trvalé monitorování ultrazvukových procesních parametrů pomocí chytrého softwaru vám dávají možnost zpracovávat vaše reagencie za nejúčinnějších ultrazvukových podmínek. Optimální sonikace pro vynikající stupeň chemické konverze!
Robustnost ultrazvukových zařízení Hielscher umožňuje provoz 24/7 při vysokém zatížení a v náročných prostředích. Díky tomu jsou sonikátory Hielscher spolehlivým pracovním nástrojem, který splňuje požadavky vašich chemických procesů.

Nejvyšší kvalita – navrženo a vyrobeno v Německu

Jako rodinná firma v rodinném vlastnictví i řízení klade Hielscher u svých ultrazvukových procesorů důraz na nejvyšší standardy kvality. Všechny ultrazvukové přístroje jsou navrženy, vyrobeny a důkladně testovány v našem sídle v Teltow nedaleko Berlína v Německu. Robustnost a spolehlivost ultrazvukových zařízení Hielscher z nich činí tahouna vaší výroby. Provoz 24/7 při plném zatížení a v náročných prostředích je přirozenou vlastností vysoce výkonných mixérů Hielscher.
Průmyslové ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics dokážou dodávat velmi vysoké amplitudy. Amplitudy až 200µm lze snadno nepřetržitě provozovat v režimu 24/7. Pro ještě vyšší amplitudy jsou k dispozici zakázkové ultrazvukové sonotrody.

Níže uvedená tabulka poskytuje orientační přehled přibližné zpracovatelské kapacity našich ultrazvukových přístrojů: