Magnesiumhydrid-Synthese mittels Hydrolyse

Die Beschallung mit Hochleistuings-Ultraschall ist eine effiziente und einfache Methode zur Herstellung von Magnesiumhydrid für die Wasserstoffspeicherung. Ultraschall beschleunigt die Hydrolyse von Magnesium und Wasserstoff, um Magnesiumhydrid zu bilden. Im Gegensatz zum herkömmlichen dissoziativen Chemisorptionsprozess läuft die Ultraschall-Hydrolyse von Magnesiumhydrid bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck ab. Das macht die sonochemische Route einfach, sicher und leicht umsetzbar. Hochleistungs-Ultraschall ermöglicht die schnelle und effiziente Herstellung großer Mengen Magnesiumhydrid.

Magnesiumhydrid für die Wasserstoffspeicherung

Magnesium hydride can be efficiently and inexpensively syntheiszed via ultrasonic hydrolysisMagnesiumhydrid, MgH2hat die Aufmerksamkeit auf sich gezogen, das es eine vielversprechende Möglichkeit für die Wasserstoffspeicherung bietet. Die Hauptvorteile sind die reichlich vorhandenen Ressourcen an MgH2, die hohe Effizienz als Wasserstoffspeicher, sein geringes Gewicht, die niedrigen Kosten sowie die Sicherheit des Materials. Im Vergleich zu anderen Hydriden, die für die Wasserstoffspeicherung verwendet werden können, ist MgH2 mit bis zu 7,6 Gew.-% die höchsten Wasserstoffspeicherdichte. Wasserstoff kann in Mg in Form von Mg-basierten Metallhydriden gespeichert werden. Der Prozess der MgH2-Synthese ist als dissoziative Chemisorption bekannt. Eine gängige Methode zur Herstellung von Mg-basierten Metallhydriden aus Mg und H2 ist die Formation bei einer Temperatur von 300-400°C und einem Wasserstoffdruck von 2,4-40 MPa. DieReaktionsgleichung lautet wie folgt: Mg + H2 ⇌ MgH2
Die Behandlung unter den sehr hohen Temperaturen geht mit erheblichen Degradationseffekten der Hydride einher, wie z.B. Rekristallisation, Phasensegregation, Agglomeration von Nanopartikeln usw. Außerdem ist die Herstellung von MgH2 durch die hohen Temperaturen und Drücke sehr energie-intensiv, aufwändig und damit teuer. Eine alternative nicht-thermische und wesentlich einfachere Methode ist die ultraschall-gestützte Hydrolyse von Magnesiumhydrid bei Raumtemperatur und Umgebungsdruck.

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Ultrasonic hydrolysis and MgH2 nano-structuring turn magnesium hydride into an efficacious technology for hydrogen storage

Ultraschallhomogenisator UIP16000hdT für die effiziente Synthese von Bulk-Magnesiumhydrid für die Wasserstoffspeicherung

Ultraschall-Hydrolyse von Magnesiumhydrid

Ultraschall ist bekannt für seine Fähigkeit, chemische Reaktionen zu initiieren und zu beschleunigen, chemische Reaktionswege zu beeinflussen und die Gesamteffizienz einer Reaktion zu verbessern. Die positiven Effekte von niederfrequentem Hochleistungs-Ultraschall auf chemische Reaktionen werden als Sonochemie bezeichnet.
Leistungsultraschall wird bereits bei vielen heterogenen Reaktionen, Katalysen und Synthesen in R&D und auf industriellem Niveau eingesetzt, um Ausbeuten, Umwandlungsraten und Gesamtreaktionseffizienz zu erhöhen. Auch für die hydrolytische Synthese von Magnesiumhydrid hat sich die Beschallung in wissenschaftlichen Studien als sehr vorteilhaft erwiesen.
Die Beschallung verbessert den Stofftransport und beschleunigt dadurch die Reaktion und hilft, die thermodynamischen und kinetischen Barrieren zu überwinden. Thermische Energie, d.h. Wärme, ist erforderlich, um die Absorptions-/Desorptionshydrierungsprozesse in Magnesium voranzutreiben. Die Verwendung von indirekten thermischen Energiequellen wie Leistungsultraschall ist eine effiziente Alternative, um Magnesiumhydrid zu destabilisieren.
Die Forschungsgruppe von Hiroi et al. (2011) untersuchte die Wirkung von Ultraschall bei verschiedenen Frequenzen auf die Hydrolyse von Magnesiumhydrid (MgH2). Sie fanden heraus, dass niederfrequenter Ultraschall die effizienteste Methode war, um eine hohe Umwandlungsrate zu erhalten. Mit einer niederfrequenten Beschallung konnte eine Hydrolyserate "bei 7,2 ks und bei einer Ultraschallfrequenz von 28 kHz bis zu 76% in Bezug auf den Reaktionsgrad erreicht werden. Dieser Wert war mehr als 15-mal so hoch wie bei der nicht-beschallten Probe, was auf eine äquivalente Wasserstoffdichte von 11,6 Masse-% bezogen auf das Gewicht von MgH2 hinweist."
Die Ergebnisse zeigten, dass Ultraschall die Hydrolysereaktion von MgH2 durch Erhöhung der Reaktionsgeschwindigkeitskonstante aufgrund der Erzeugung von Radikalen und der Ablösung der Passivierungsschicht von Mg(OH)2 auf dem nicht umgewandelten MgH2 aufgrund der Erzeugung großer Scherkräfte verstärkt. (Hiroi et al. 2011)

Problem: Langsame Hydrolyse des Magnesiumhydrids

Die Förderung der MgH2-Hydrolyse durch Kugelmahlung, Heißwasserbehandlung oder chemische Zusätze wurde untersucht. Allerdings konnte jedoch nicht festgestellt werden, dass diese Maßnahmen die chemische Umwandlungsrate in signifikanter Weise erhöhen. Was die Zugabe von Chemikalien betrifft, so führten chemische Zusätze wie Puffer, Chelatoren und Ionenaustauscher dazu, welche helfen sollten, die Bildung einer passivierenden Mg(OH)2 -Schicht zu verhindern, zu Verunreinigungen im Post-Mg-Cycling-Prozess.

Lösung: Dispergieren von Magnesiumhydrid mit Ultraschall

Das Dispergieren und Nassmahlen mit Ultraschall ist eine hocheffiziente Technik zur Herstellung von Partikeln und Kristallen in Nanogröße mit einer sehr engbandigen Verteilungskurve. Durch die gleichmäßige Dispergierung von Magnesiumhydrid in Nanogröße wird die aktive Oberfläche deutlich vergrößert. Außerdem werden durch die Beschallung passivierende Schichten entfernt und der Stofftransport erhöht, was zu einer besseren chemischen Umwandlungsrate führt. Ultraschall-gestütztes Mahlen, Dispergieren, Deagglomeration und Partikeloberflächenreinigung übertreffen andere Vermahlungstechniken an Effizienz, Zuverlässigkeit und Einfachheit.

The ultrasonicator UIP1000hdT is a powerful disperser for medium-sized production scale.

Ultraschallgerät UIP1000hdT für die kontinuierliche Inline-Verarbeitung von Magnesiumhydrid

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Ultrasonic milling and dispersing is a highly efficient method for particle size reduction, e.g. magnesium hydride

Ultraschall-Nassmahlen und -Dispergieren ist eine hocheffiziente Methode zur Partikelgrößenreduktion, z.B. von Magnesiumhydrid

Ultraschall-Nanostrukturierung von MgH2

Nano-skalige / nanostrukturierte Strukturen auf Magnesiumbasis wie MgH2-Nanopartikel und -Nanofasern können durch Verringerung der Partikel- bzw. Korngröße weiter verbessert werden. Dadurch kann die Hydridbildungsenthalpie ΔH verringert wird. Die Ultraschall-Nanostrukturierung ist eine hocheffektive Technik, die es erlaubt, die Thermodynamik von Magnesiumhydrid positiv zu beeinflussen, ohne die Wasserstoffkapazität zu beeinträchtigen. Die ultrafeinen MgH2-Nanopartikel weisen eine deutlich verbesserte Wasserstoffdesorptionskapazität auf.

Ultraschall fördert die Magnesiumhydrid-Synthese

  • Schnellere Reaktion
  • Höhere Umwandlungsrate
  • Entfernen von Passivierungsschichten
  • Vollständigere Reaktion
  • Erhöhter Stoffaustausch
  • Höhere Erträge
  • Nanostrukturiertes MgH2
  • Verbesserte Wasserstoffsorption

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die MgH2-Hydrolyse

Sonochemie – die Anwendung von Leistungsultraschall auf chemische Reaktionen – ist eine zuverlässige Verfahrenstechnik, welche Synthesen, katalytische Reaktionen und andere heterogene Reaktionen vereinfacht und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics reicht von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu industriellen Ultraschall-Systemen für sonochemische Anwendungen jeglicher Art, wie z.B. die Hydrolyse von Magnesiumhydrid sowie die nano-skalige Vermahlung bzw. Nanostrukturierung von MgH2. Durch unser breites Produktportfolio können wir Ihnen den für Ihre angestrebte MgH2-Synthese am besten geeigneten Ultraschallprozessor anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter begleiten Sie von der Machbarkeitsprüfung über die Prozessoptimierung bis hin zur Installation Ihres Ultraschallsystems auf der finalen Produktionsebene.
Durch den geringen Platzbedarf unserer Ultraschall-Homogenisatoren sowie die vielseitigen Installationsmöglichkeiten passen sie auch in kleinste Prozessanlagen. Ultraschall-Prozessoren werden weltweit in der Feinchemie, Petrochemie, in der Produktion von Nanomaterialien sowie in zahlreichen anderen Industrien erfolgreich eingesetzt.

Batch und Inline

Die sonochemischen Anlagen von Hielscher können sowohl für die Batch- als auch für die kontinuierliche Durchflussverarbeitung eingesetzt werden. Die Ultraschall-Batch-Verarbeitung ist ideal für Prozesstests, Optimierungen und kleine bis mittlere Produktionsstufen. Für die Produktion von großen Materialmengen kann eine Inline-Verarbeitung vorteilhafter sein. Ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess erfordert einen anspruchsvolleren Aufbau – bestehend aus einer Pumpe, Schläuchen oder Rohren und Tanks -, aber sie ist hocheffizient, schnell und erfordert deutlich weniger Arbeitsaufwand. Hielscher Ultrasonics hat den passenden sonochemischen Aufbau für Ihre Sono-Synthesereaktion, Ihr Prozessvolumen und Ihre Ziele.

Ultraschallsonotroden und Reaktoren für die MgH2-Hydrolyse in jedem Maßstab

UIP4000hdT Ultraschallreaktor für die Inline-Beschallung im industriellen MaßstabDie Produktpalette von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren ab - von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tisch- und Pilotanlagen bis hin zu vollindustriellen Ultraschallprozessoren mit der Kapazität, LKW-Ladungen pro Stunde zu verarbeiten. Die vollständige Produktpalette ermöglicht es uns, Ihnen den am besten geeigneten Ultraschall-Homogenisator für Ihre Prozesskapazität und Produktionsziele anzubieten.
Ultraschall-Benchtop-Systeme sind ideal für Machbarkeitsprüfungen und Prozessoptimierung. Das lineare Scale-up auf Basis etablierter Prozessparameter macht es sehr einfach, die Verarbeitungskapazitäten von kleineren Chargen bis zur voll kommerziellen Produktion zu erhöhen. Das Scale-up kann entweder durch die Installation einer leistungsstärkeren Ultraschalleinheit oder durch das Clustern mehrerer Ultraschallgeräte parallel erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschall-Homogenisator an.

Präzise kontrollierbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Hielscher-Ultraschallgeräte sind präzise steuerbare und damit zuverlässige Arbeitsmaschinen in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, welche die Effizienz und Effektivität von sonochemischen Reaktionen beeinflussen. Hielscher's industrial processors of the hdT series can be comfortable and user-friendly operated via browser remote control. Alle Hielscher Ultrasonics‘ Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster-Hörner sind Zubehörteile, welche es erlauben, die Amplitude in einem noch größeren Spektrum zu verändern. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb kontinuierlich betrieben werden.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschall-Prozessparameter über eine intelligente Software geben Ihnen die Möglichkeit, Ihre Reagenzien unter den effektivsten Ultraschallbedingungen zu behandeln. Optimale Beschallung für eine hervorragende chemische Umwandlungsrate!
Die Robustheit der Hielscher-Ultraschallgeräte ermöglicht einen 24/7-Betrieb bei hoher Beanspruchung und in anspruchsvollen Umgebungen. Das macht die Ultraschallgeräte von Hielscher zu einem zuverlässigen Arbeitswerkzeug, welches die Anforderungen Ihres chemischen Prozesses erfüllt.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher auf höchste Qualitätsstandards für seine Ultraschallprozessoren. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin entwickelt, hergestellt und gründlich getestet. Robustheit und Zuverlässigkeit machen Hielscher Ultraschallgeräte zu einer zuverlässigen Technologie in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist ein selbstverständliches Merkmal der Hielscher Hochleistungsmischer.
Hielscher Ultrasonics‘ industrielle Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7/365-Betrieb kontinuierlich betrieben werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschall-Sonotroden erhältlich.

In der folgenden Tabelle finden Sie die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallsysteme:

Batch-Volumen Durchfluss Empfohlenes Ultraschallgerät
1 bis 500ml 10 bis 200ml/min UP100H
10 bis 2000ml 20 bis 400ml/min UP200Ht, UP400St
0.1 bis 20l 0,2 bis 4l/min UIP2000hdT
10 bis 100l 2 bis 10l/min UIP4000hdT
n.a. 10 bis 100l/min UIP16000
n.a. größere Cluster aus UIP16000

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Ultrasonic high-shear homogenizers are used in lab, bench-top, pilot and industrial processing.

Hielscher Ultrasonics stellt Hochleistungs-Ultraschallhomogenisatoren für Mischanwendungen, Dispergierung, Emulgierung und Extraktion im Labor-, Pilot- und Industriemaßstab her.

Literatur / Literaturhinweise



Wissenswertes

Vorteile von Magnensiumhydrid für die Wasserstoffspeicherung

  • Ideale und ausgegliche Gravimetrie
  • Überlegene volumetrische Energiedichte
  • Kostengünstig
  • Reichlich vorhanden
  • Problemlos zu handhaben (auch an Luft)
  • Direkte Reaktion mit Wasser möglich
  • Die Reaktionskinetik kann an spezifische Anwendungen angepasst werden
  • Hohe Reaktions- und Produktsicherheit
  • Ungiftig und sicher in der Anwendung
  • Umweltfreundlich

Was ist Magnesiumhydrid?

Magnesiumhydrid (MgH2(auch bekannt als Magnesiumdihydrid) hat eine tetragonale Struktur und weist die Form eines farblosen kubischen Kristalls oder eines grau-weißlichen Pulvers auf. Es wird als Wasserstoffquelle für Brennstoffbatterien unter 10.000W verwendet. Die Wasserstoffmenge, die durch Wasser freigesetzt wird, ist höher als 14,8 Gew.-%, was deutlich höher ist als die Wasserstoffmenge, die über einen Hochdruck-Gas-Wasserstoffspeicher (70MPa, ~5,5 Gew.-%) und Schwermetall-Wasserstoffspeichermaterialien freigesetzt wird (<2wt%). Furthermore, magnesium hydride is safe and highly efficient, which turns it into a promising technology for efficacious hydrogen storage. Hydrolysis of magnesium hydride is used as supply hydrogen system in proton-exchange membrane fuel cells (PEMFC), which improve energy density of the system significantly. Solid / semi-solid Mg-H fuel battery systems with high-energy density are also in development. Their promising advantage is an energy density 3-5 times higher than that of lithium-ion batteries. Synonyms: Magnesium dihydride, magnesium hydride (hydrogen storage grade) Used as material for hydrogen storage Molecular Formula: MgH2 Molecular Weight:26.32 Density:1.45g/mL Melting Point:>250℃
Löslichkeit: unlöslich in normaler organischer Lösung


Hielscher Ultrasonics supplies high-performance ultrasonic homogenizers from lab to industrial size.

Hochleistungs-Ultraschall! Die Produktpalette von Hielscher deckt das gesamte Spektrum vom kompakten Labor-Ultraschallgerät über Tischgeräte bis hin zu vollindustriellen Ultraschallsystemen ab.