Magnesiumhydrid i nanostørrelse som effektiv brintlagring

Sonikering anvendes på magnesiumhydrid for at fremskynde hydrolysen af magnesiumhydrid for at forbedre brintgenereringen. Derudover viser ultralyd nanostruktureret magnesiumhydrid, dvs. MgH2 nanopartikler, forbedret brintlagringskapacitet.

Magnesiumhydrid til brintlagring

Magnesiumhydrid, MgH₂, har tiltrukket sig bred opmærksomhed som mulighed for brintlagring. De vigtigste fordele er dens rigelige ressource, høje ydeevne, lette vægt, lave omkostninger og sikkerhed. I sammenligning med andre hydrider, der kan anvendes til brintlagring, er MgH₂ har den højeste brintlagringstæthed med op til 7,6 vægtprocent. Brint kan lagres i Mg i form af Mg-baserede metalhydrider. Processen med MgH2-syntese er kendt som dissociativ kemisorption. En almindelig metode til fremstilling af Mg-baseret metalhydrid fra Mg og H2 er dannelsen ved en temperatur på 300-400 °C og et brinttryk på 2,4-40 MPa. Dannelsesligningen lyder som følger: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Den høje varmebehandling kommer med betydelige nedbrydningseffekter af hydriderne, såsom omkrystallisation, faseadskillelse, nanopartikler, agglomerering af nanopartikler osv. Desuden gør høje temperaturer og tryk dannelsen af MgH2 energikrævende, kompleks og dermed dyr.

Ultralydshydrolyse af magnesiumhydrid

Hiroi et al. (2011) viste, at sonikering af MgH2 nanopartikler og nanofibre intensiverede hydrolysereaktionen MgH2 + 2H2O = Mg (OH) 2 + 2H2 + 277 kJ. I denne undersøgelse udviste MgH2-nanofibrene den maksimale brintlagringskapacitet på 14,4 masse% ved stuetemperatur. Derudover viste forskerne, at en kombination af sonikering og MgH2-hydrolyse er betydeligt effektiv til effektivt at generere brint uden opvarmning og tilsætning af noget kemisk middel. De fandt også, at lavfrekvent ultralyd var den mest effektive metode til at opnå en høj konverteringsrate. Hydrolysehastigheden ved lavfrekvent sonikering "nåede så højt som 76% med hensyn til reaktionsgraden ved 7,2 ks ved en ultralydsfrekvens på 28 kHz. Denne værdi var mere end 15 gange den værdi, der blev opnået i tilfælde af den ikke-sonikerede prøve, hvilket indikerer en ækvivalent hydrogendensitet på 11,6 masse% på grundlag af vægten af MgH2."
Resultaterne afslørede, at ultralyd vil forbedre hydrolysereaktionen af MgH2 ved at øge reaktionshastighedskonstanten på grund af generering af radikaler og eksfoliere det passive lag af Mg(OH)2 over det ureagerede MgH2 på grund af genereringen af store forskydningskræfter. (Hiroi et al. 2011)

Problem: Langsom hydrolyse af magnesiumhydrid

Fremme af magnesiumhydridhydrolyse via kuglefræsning, varmtvandsbehandling eller kemiske tilsætningsstoffer er blevet undersøgt, men viste sig ikke at øge den kemiske omdannelseshastighed på en væsentlig måde. Med hensyn til tilsætning af kemikalier producerede kemiske tilsætningsstoffer, såsom buffermidler, chelatorer og ionbyttere, som hjalp med at forhindre dannelsen af et passiverende Mg(OH)2-lag, urenheder i cyklusprocessen efter Mg.

Løsning: Ultralydsdispergering af magnesiumhydrid

Ultralydsdispergering og vådfræsning er en yderst effektiv teknik til fremstilling af partikler og krystaller i nanostørrelse med en meget smal fordelingskurve. Ved at dispergere magnesiumhydrid jævnt i nanostørrelse bliver det aktive overfladeareal betydeligt forstørret. Desuden fjerner sonikering passiverende lag og øger masseoverførslen for overlegne kemiske konverteringshastigheder. Ultralydsfræsning, dispergering, deagglomerering og rensning af partikeloverflader udmærker sig ved andre fræseteknikker i effektivitet, pålidelighed og enkelhed.

Ultralydsvådfræsning og dispergering er en yderst effektiv metode til reduktion af partikelstørrelse, f.eks. af magnesiumhydrid

Nanostruktureret magnesiumhydrid som forbedret brintlagring

Nanostrukturerende magnesiumhydrider er videnskabeligt bevist at være en effektiv strategi, der gør det muligt samtidig at forbedre de termodynamiske og kinetiske egenskaber ved ab/desorption, der er MgH2. Nano-størrelse / nanostrukturerede magnesiumbaserede strukturer såsom MgH2 nanopartikler og nanofibre kan forbedres yderligere ved at reducere partikel- og kornstørrelsen og derved reducere deres hydriddannelsesentalpi ΔH. Beregninger viste, at reaktionsbarrieren for nedbrydning af MgH2 i nanostørrelse var bemærkelsesværdigt lavere end for MgH2 i bulk, hvilket indikerer, at nanostrukturkonstruktion af MgH2 er termodynamisk og kinetisk gunstig for den forbedrede ydeevne. (jf. Ren et al., 2023)

Sammenligning af energibarriererne for brintabsorption og desorption af bulk MgH2 og nanostruktureret ultrafin MgH2.
(undersøgelse og graf: ©Zhang et al., 2020)

Ultralyd nanosizing og nanostrukturering af magnesiumhydrid

Ultralyd nanostrukturering er en yderst effektiv teknik, der gør det muligt at ændre termodynamikken af magnesiumhydrid uden at påvirke brintkapaciteten. De ultrafine MgH2 nanopartikler udviser en betydeligt forbedret brintdesorptionskapacitet. Nano-sizing magnesiumhydrid er en måde at reducere hydrogen-ab-/desorptionstemperaturen betydeligt og øge hastigheden af re/de-hydrogenering af MgH2 på grund af introduktion af defekter, forkortelse af hydrogendiffusionsveje, forøgelse af kimdannelsessteder og destabilisering af Mg-H-binding.
En simpel sonokemisk behandling giver mulighed for dannelse af lavenergihydrider, især i tilfælde af behandling af magnesiumpartikler. For eksempel demonstrerede Baidukova et al. (2026) muligheden for at danne lavenergihydrider i en porøs magnesium-magnesiumhydroxidmatrix ved hjælp af sonokemisk behandling af magnesiumpartikler i vandige suspensioner.

Sonokemisk syntetiseret nano-magnesiumhydrid til effektiv brintlagring

Ultralydsfremstillede magnesiumhydridnanopartikler opnår reversibilitet ved omgivelsestemperatur på 6,7 vægtprocent reversibel lagring af brint
Brug af letmetalhydrider som bærere til brintlagring er en lovende tilgang til sikker og effektiv opbevaring af brint. Et bestemt metalhydrid, magnesiumhydrid (MgH2), har fået betydelig interesse på grund af dets høje brintindhold og overfloden af magnesium i naturen. MgH2 i bulk har dog den ulempe, at det er stabilt og kun frigiver brint ved meget høje temperaturer på mere end 300 °C. Dette er upraktisk og ineffektivt for brintlagringsrelaterede applikationer.
Zhang et al. (2020) undersøgte muligheden for reversibel brintlagring ved omgivelsestemperatur ved at skabe ultrafine nanopartikler af MgH2. De brugte sonikering for at starte en metateseproces, som faktisk er en dobbelt nedbrydningsproces. Sonikering blev anvendt på en opslæmning bestående af væske og faste stoffer med det formål at skabe nanopartikler. Disse nanopartikler, uden yderligere stilladsstrukturer, blev med succes produceret med størrelser overvejende omkring 4-5 nm. For disse nanopartikler målte y'et en reversibel brintlagringskapacitet på 6,7 vægtprocent ved 30 °C , en betydelig præstation, der ikke er blevet påvist før. Dette blev muliggjort af termodynamisk destabilisering og reducerede kinetiske barrierer. De nøgne nanopartikler udviste også stabil og hurtig brintcyklusadfærd under 50 cyklusser ved 150 °C, en bemærkelsesværdig forbedring sammenlignet med bulk MgH2. Disse resultater præsenterer sonikering som potentiel behandling, der fører til højere effektivitet af MgH2 til brintopbevaring.
(jf. Zhang et al. 2020)

Partikelstørrelsesfordeling ultrafin MgH2 fremstillet efter sonikering.
(undersøgelse og graf: ©Zhang et al., 2020)

Højtydende ultralydapparater til magnesiumhydridbehandling

Sonokemi – Anvendelse af ultralyd til kemiske reaktioner – er en pålidelig behandlingsteknologi, der letter og accelererer synteser, katalytiske reaktioner og andre hetergene reaktioner. Hielscher Ultrasonics-porteføljen dækker hele spektret fra kompakte laboratorie-ultralydapparater til industrielle sonokemiske systemer til alle former for kemiske applikationer, såsom hydrolyse af magnesiumhydrid og dets nano-fræsning / nano-strukturering. Dette giver os hos Hielscher mulighed for at tilbyde dig den bedst egnede ultralydsapparat til din påtænkte MgH2-proces. Vores mangeårige erfarne medarbejdere hjælper dig fra gennemførlighedstest og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.
Det lille fodaftryk af vores ultralydshomogenisatorer samt deres alsidighed i installationsmuligheder gør, at de passer selv ind i små behandlingsfaciliteter. Ultralydsprocessorer er installeret over hele verden i produktionsfaciliteter for finkemi, petrokemi og nanomaterialer.

batch og inline

Hielscher sonokemisk udstyr kan bruges til batch- og kontinuerlig gennemstrømningsbehandling. Ultralydsbatchbehandling er ideel til procestest, optimering og små til mellemstore produktionsniveauer. For en producerende store mængder materialer kan inline-behandling være mere fordelagtig. En kontinuerlig inline-blandingsproces kræver en sofistikeret opsætning – består af en pumpe, slanger eller rør og tanke -, men det er yderst effektivt, hurtigt og kræver betydeligt mindre arbejdskraft. Hielscher Ultrasonics har den bedst egnede sonokemiske opsætning til din sono-syntesereaktion, behandlingsvolumen og mål.

Ultralydssonder og reaktorer til MgH2-hydrolyse i enhver skala

Hielscher Ultrasonics produktsortiment dækker hele spektret af ultralydsprocessorer fra kompakte laboratorieultralydapparater over bord- og pilotsystemer til fuldt industrielle ultralydsprocessorer med kapacitet til at behandle lastbiler i timen. Det fulde produktsortiment giver os mulighed for at tilbyde dig den bedst egnede ultralydshomogenisator til din proceskapacitet og produktionsmål.
Ultralydsbordsystemer er ideelle til gennemførlighedstest og procesoptimering. Lineær opskalering baseret på etablerede procesparametre gør det meget nemt at øge forarbejdningskapaciteten fra mindre partier til fuldt kommerciel produktion. Opskalering kan udføres ved enten at installere en mere kraftfuld ultralydsenhed eller klynge flere ultralydapparater parallelt. Med UIP16000 tilbyder Hielscher den mest kraftfulde ultralydshomogenisator på verdensplan.

Præcist kontrollerbare amplituder for optimale resultater

Alle Hielscher ultralydapparater er præcist kontrollerbare og dermed pålidelige arbejdsheste i produktionen. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten af sonokemiske reaktioner Alle Hielscher Ultrasonics-processorer giver mulighed for den præcise indstilling af amplituden. Sonotroder og boosterhorn er tilbehør, der gør det muligt at ændre amplituden i et endnu bredere område. Hielscher industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og levere den krævede ultralydsintensitet til krævende applikationer. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift.
Præcise amplitudeindstillinger og permanent overvågning af ultralydsprocesparametrene via smart software giver dig mulighed for at behandle dine reaganter med de mest effektive ultralydsbetingelser. Optimal sonikering for en enestående kemisk konverteringshastighed!
Robustheden af Hielscher ultralydsudstyr giver mulighed for 24/7 drift ved tunge og i krævende miljøer. Dette gør Hielschers ultralydsudstyr til et pålideligt arbejdsredskab, der opfylder dine kemiske proceskrav.

Højeste kvalitet – Designet og fremstillet i Tyskland

Som en familieejet og familiedrevet virksomhed prioriterer Hielscher de højeste kvalitetsstandarder for sine ultralydsprocessorer. Alle ultralydapparater er designet, fremstillet og grundigt testet i vores hovedkvarter i Teltow nær Berlin, Tyskland. Robusthed og pålidelighed af Hielscher ultralydsudstyr gør det til en arbejdshest i din produktion. 24/7 drift under fuld belastning og i krævende miljøer er en naturlig egenskab ved Hielschers højtydende armaturer.
Hielscher Ultrasonics industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200 μm kan nemt køres kontinuerligt i 24/7 drift. For endnu højere amplituder er tilpassede ultralydssonotroder tilgængelige.

Nedenstående tabel giver dig en indikation af den omtrentlige behandlingskapacitet for vores ultralydapparater: