Magnesiumhydrid i nanostørrelse til effektiv brintlagring

Sonikering anvendes på magnesiumhydrid for at accelerere hydrolysen af magnesiumhydrid og dermed øge brintproduktionen. Derudover udviser magnesiumhydrid, der er nanostruktureret ved hjælp af ultralyd, dvs. MgH₂-nanopartikler, forbedret brintlagringskapacitet.

Magnesiumhydrid til brintlagring

Magnesiumhydrid, MgH₂, har tiltrukket stor opmærksomhed som en mulighed for brintlagring. De væsentligste fordele er den rigelige tilgængelighed af råstoffet, høj ydeevne, lav vægt, lave omkostninger og sikkerhed. Sammenlignet med andre hydrider, der kan anvendes til brintlagring, har MgH₂ de højeste brintlagringstætheder med op til 7,6 wt %. Brint kan lagres i Mg i form af Mg-baserede metalhydrider. Processen til syntese af MgH₂ er kendt som dissociativ kemisorption. En almindelig metode til fremstilling af Mg-baseret metalhydrid fra Mg og H2 er dannelse ved en temperatur på 300–400°C og et brinttryk på 2,4–40 MPa. Reaktionsligningen for dannelsen er følgende: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Varmebehandlingen ved høj temperatur medfører betydelige nedbrydningseffekter på hydriderne, såsom rekrystallisation, fasesegregation, agglomerering af nanopartikler osv. Desuden gør høje temperaturer og tryk dannelsen af MgH2 energikrævende, kompleks og dermed dyr.

Ultralydsbaseret hydrolyse af magnesiumhydrid

Hiroi et al. (2011) påviste, 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 mass% ved stuetemperatur. Derudover påviste forskerne, at en kombination af sonikering og MgH₂-hydrolyse er betydeligt effektiv til effektiv produktion af brint uden opvarmning og uden tilsætning af noget kemisk middel. De fandt også, at lavfrekvent ultralyd var den mest effektive metode til at opnå en høj omdannelseshastighed. Hydrolysehastigheden ved lavfrekvent sonikering “nåede helt op på 76% målt som reaktionsgrad ved 7,2 ks ved en ultralydsfrekvens på 28 kHz. Denne værdi var mere end 15 gange den værdi, der blev opnået for den ikke-sonikerede prøve, hvilket indikerer en ækvivalent brinttæthed på 11,6 mass% baseret på vægten af MgH₂.”
Resultaterne viste, at ultralyd vil fremme hydrolysereaktionen af MgH₂ ved at øge reaktionshastighedskonstanten som følge af dannelsen af radikaler og ved at afskalle det passive lag af Mg(OH)₂ over det ureagerede MgH₂ som følge af dannelsen af store forskydningskræfter. (Hiroi et al. 2011)

Problem: Langsom hydrolyse af magnesiumhydrid

Fremme af magnesiumhydridets hydrolyse ved hjælp af kuglemaling, varmtvandsbehandling eller kemiske tilsætningsstoffer er blevet undersøgt, men metoderne viste sig ikke at øge den kemiske omdannelseshastighed væsentligt. Hvad angår tilsætning af kemikalier, medførte kemiske tilsætningsstoffer såsom buffermidler, chelateringsmidler og ionbyttere, som bidrog til at forhindre dannelsen af et passiverende Mg(OH)₂-lag, urenheder i post-Mg-cyklingsprocessen.

Løsning: Ultralydsdispergering af magnesiumhydrid

Ultralydsdispergering og vådformaling er en særdeles 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 større. Desuden fjerner sonikering passiverende lag og øger masseoverførslen, så der opnås overlegne kemiske omdannelseshastigheder. Ultralydsformaling, dispergering, deagglomerering og rensning af partikeloverflader overgår andre formalingsteknikker med hensyn til effektivitet, pålidelighed og enkelhed.

Ultralydsbaseret vådformaling og dispergering er en særdeles effektiv metode til reduktion af partikelstørrelse, f.eks. af magnesiumhydrid

Nanostruktureret magnesiumhydrid til forbedret brintlagring

Nanostrukturering af magnesiumhydrider er videnskabeligt dokumenteret som en effektiv strategi, der gør det muligt samtidig at forbedre MgH2’s termodynamiske og kinetiske egenskaber ved absorption/desorption. Magnesiumbaserede strukturer i nanostørrelse / med nanostruktur, såsom MgH2-nanopartikler og nanofibre, kan forbedres yderligere ved at reducere partikel- og kornstørrelsen og dermed mindske deres entalpi for hydriddannelse ΔH. Beregninger viste, at reaktionsbarrieren for nedbrydning af MgH2 i nanostørrelse var markant lavere end for massivt MgH2, hvilket indikerer, at udvikling af MgH2’s nanostruktur er termodynamisk og kinetisk gunstig for den forbedrede ydeevne. (jf. Ren et al., 2023)

Sammenligning af energibarriererne for brintabsorption og -desorption i massivt MgH₂ og nanostruktureret ultrafint MgH₂.
(undersøgelse og graf: ©Zhang et al., 2020)

Ultralydsbaseret reduktion til nanostørrelse og nanostrukturering af magnesiumhydrid

Ultralydsbaseret nanostrukturering er en særdeles effektiv teknik, der gør det muligt at ændre magnesiumhydridets termodynamik uden at påvirke brintkapaciteten. De ultrafine MgH₂-nanopartikler udviser en betydeligt forbedret brintdesorptionskapacitet. Reduktion af magnesiumhydrid til nanostørrelse er en måde at sænke temperaturen for brintabsorption/-desorption betydeligt og øge hastigheden af rehydrogenering/dehydrogenering af MgH₂ som følge af indførelsen af defekter, forkortelsen af brintens diffusionsveje, forøgelsen af antallet af kimdannelsessteder og destabiliseringen af Mg–H-bindinger.
En enkel sonokemisk behandling giver mulighed for dannelse af lavenergihydrider, især ved behandling af magnesiumpartikler. For eksempel påviste Baidukova et al. (2026) muligheden for at danne lavenergihydrider i en porøs magnesium-magnesiumhydroxid-matrix ved hjælp af sonokemisk behandling af magnesiumpartikler i vandige suspensioner.

Sonokemisk syntetiseret nanomagnesiumhydrid til effektiv brintlagring

Magnesiumhydridnanopartikler fremstillet ved hjælp af ultralyd opnår reversibilitet ved omgivelsestemperatur med 6,7 wt% reversibel brintlagring
Anvendelse af letmetalhydrider som bærere til brintlagring er en lovende tilgang til sikker og effektiv lagring af brint. Et bestemt metalhydrid, magnesiumhydrid (MgH2), har vakt betydelig interesse på grund af sit høje brintindhold og magnesiums rigelige forekomst i naturen. Massivt MgH2 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 til anvendelser relateret til brintlagring.
Zhang et al. (2020) undersøgte muligheden for reversibel brintlagring ved omgivelsestemperatur ved at fremstille ultrafine nanopartikler af MgH₂. De anvendte sonikering til at igangsætte en metateseproces, som i praksis er en dobbelt nedbrydningsproces. Sonikering blev anvendt på en opslæmning bestående af væske og faste stoffer med det formål at fremstille nanopartikler. Disse nanopartikler blev fremstillet med succes uden yderligere støttestrukturer og med størrelser overvejende omkring 4–5 nm. For disse nanopartikler målte de en reversibel brintlagringskapacitet på 6,7 wt% ved 30°C, et betydeligt resultat, som ikke tidligere er blevet påvist. Dette blev muliggjort af termodynamisk destabilisering og reducerede kinetiske barrierer. De nøgne nanopartikler udviste også stabil og hurtig brintcykling gennem 50 cyklusser ved 150°C, en bemærkelsesværdig forbedring sammenlignet med massivt MgH₂. Disse resultater peger på sonikering som en potentiel behandling, der fører til højere effektivitet af MgH₂ til brintlagring.
(jf. Zhang et al. 2020)

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

Højtydende ultralydsapparater til behandling af magnesiumhydrid

Sonokemi – anvendelse af effektultralyd til kemiske reaktioner – er en pålidelig behandlingsteknologi, der letter og accelererer synteser, katalytiske reaktioner og andre heterogene reaktioner. Hielscher Ultrasonics’ sortiment dækker hele spektret fra kompakte laboratorieultralydsapparater til industrielle sonokemiske systemer til alle slags kemiske anvendelser såsom hydrolyse af magnesiumhydrid og dets nanoformaling / nanostrukturering. Dette gør det muligt for os hos Hielscher at tilbyde dig det bedst egnede ultralydsapparat til din planlagte MgH2-proces. Vores medarbejdere med mange års erfaring hjælper dig fra gennemførlighedsforsøg og procesoptimering til installation af dit ultralydssystem på det endelige produktionsniveau.
Vores ultralydshomogenisatorers lille pladsbehov og deres alsidige installationsmuligheder gør, at de passer selv i behandlingsanlæg med begrænset plads. Ultralydsprocessorer er installeret over hele verden i anlæg til finkemisk, petrokemisk og nanomaterialeproduktion.

Batch og inline

Hielschers sonokemiske udstyr kan anvendes til batchbehandling og kontinuerlig gennemstrømningsbehandling. Ultralydsbaseret batchbehandling er ideel til procesafprøvning, optimering og produktion i lille til mellemstor skala. Ved produktion af store materialemængder kan inlinebehandling være mere fordelagtig. En kontinuerlig inlineblandingsproces kræver en avanceret opstilling – bestående af en pumpe, slanger eller rør og tanke – men den er særdeles effektiv, hurtig og kræver betydeligt mindre arbejdskraft. Hielscher Ultrasonics har den bedst egnede sonokemiske opstilling til din sonosyntesereaktion, dit behandlingsvolumen og dine mål.

Ultralydssonder og reaktorer til MgH₂-hydrolyse i enhver skala

Hielscher Ultrasonics’ produktsortiment dækker hele spektret af ultralydsprocessorer fra kompakte laboratorieultralydsapparater over bord- og pilotsystemer til fuldt industrielle ultralydsprocessorer med kapacitet til at behandle lastbillæs i timen. Det fulde produktsortiment gør det muligt for os at tilbyde dig den bedst egnede ultralydshomogenisator til din proceskapacitet og dine produktionsmål.
Ultralydssystemer til bordbrug er ideelle til gennemførlighedsforsøg og procesoptimering. Lineær opskalering baseret på etablerede procesparametre gør det meget nemt at øge behandlingskapaciteten fra mindre partier til fuldt kommerciel produktion. Opskalering kan foretages enten ved at installere en kraftigere ultralydsenhed eller ved at samle flere ultralydsapparater i en parallel klynge. Med UIP16000 tilbyder Hielscher verdens kraftigste ultralydshomogenisator.

Præcist regulerbare amplituder for optimale resultater

Alle Hielschers ultralydsapparater kan reguleres præcist og er dermed pålidelige arbejdsheste i produktionen. Amplituden er en af de afgørende procesparametre, der påvirker effektiviteten og virkningen af sonokemiske reaktioner Alle Hielscher Ultrasonics’ processorer muliggør præcis indstilling af amplituden. Sonotroder og boosterhorn er tilbehør, der gør det muligt at ændre amplituden inden for et endnu større område. Hielschers industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder og den nødvendige ultralydsintensitet til krævende anvendelser. Amplituder på op til 200µm kan uden problemer opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift.
Præcise amplitudeindstillinger og permanent overvågning af ultralydsprocesparametrene via intelligent software giver dig mulighed for at behandle dine reagenser under de mest effektive ultralydsbetingelser. Optimal sonikering for en fremragende kemisk omdannelseshastighed!
Robustheden af Hielschers ultralydsudstyr muliggør 24/7-drift under hård belastning og i krævende miljøer. Dette gør Hielschers ultralydsapparater 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 ultralydsapparater designes, fremstilles og testes grundigt på vores hovedsæde i Teltow nær Berlin i Tyskland. Robustheden og pålideligheden af Hielschers 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 blandere.
Hielscher Ultrasonics’ industrielle ultralydsprocessorer kan levere meget høje amplituder. Amplituder på op til 200µm kan uden problemer opretholdes kontinuerligt i 24/7-drift. Til endnu højere amplituder fås specialtilpassede ultralydssonotroder.

Tabellen nedenfor giver dig et indtryk af vores ultralydsapparaters omtrentlige behandlingskapacitet: