Nanoskaliges Magnesiumhydrid als effizienter Wasserstoffspeicher

Magnesiumhydrid wird mit Ultraschall behandelt, um seine Hydrolyse zu beschleunigen und dadurch die Wasserstofferzeugung zu steigern. Darüber hinaus weist durch Ultraschall nanostrukturiertes Magnesiumhydrid, also MgH₂-Nanopartikel, eine verbesserte Wasserstoffspeicherkapazität auf.

Magnesiumhydrid zur Wasserstoffspeicherung

Magnesiumhydrid, MgH₂, hat als Möglichkeit zur Wasserstoffspeicherung große Aufmerksamkeit erregt. Zu seinen wichtigsten Vorteilen zählen die reichliche Verfügbarkeit des Rohstoffs, hohe Leistungsfähigkeit, geringes Gewicht, niedrige Kosten und Sicherheit. Im Vergleich zu anderen Hydriden, die zur Wasserstoffspeicherung geeignet sind, weist MgH₂ mit bis zu 7,6 wt % die höchsten Wasserstoffspeicherdichten auf. Wasserstoff kann in Mg in Form von Metallhydriden auf Mg-Basis gespeichert werden. Der Prozess der MgH₂-Synthese ist als dissoziative Chemisorption bekannt. Eine gängige Methode zur Herstellung von Metallhydrid auf Mg-Basis aus Mg und H2 ist die Bildung bei einer Temperatur von 300–400°C und einem Wasserstoffdruck von 2,4–40 MPa. Die Bildungsgleichung lautet: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Die Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen geht mit erheblichen Degradationseffekten an den Hydriden einher, etwa Rekristallisation, Phasentrennung und Agglomeration von Nanopartikeln. Darüber hinaus machen hohe Temperaturen und Drücke die Bildung von MgH2 energieintensiv, komplex und damit teuer.

Ultraschallhydrolyse von Magnesiumhydrid

Hiroi et al. (2011) zeigten, dass die Beschallung von MgH₂-Nanopartikeln und -Nanofasern die Hydrolysereaktion MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ intensivierte. In dieser Studie erreichten die MgH₂-Nanofasern bei Raumtemperatur die maximale Wasserstoffspeicherkapazität von 14,4 mass%. Darüber hinaus zeigten die Forschenden, dass eine Kombination aus Beschallung und MgH₂-Hydrolyse sehr wirksam ist, um Wasserstoff ohne Erwärmung und ohne Zugabe chemischer Mittel effizient zu erzeugen. Sie stellten außerdem fest, dass niederfrequenter Ultraschall die effizienteste Methode war, um eine hohe Umsatzrate zu erzielen. Die Hydrolyserate bei niederfrequenter Beschallung „erreichte nach 7,2 ks bei einer Ultraschallfrequenz von 28 kHz einen Reaktionsgrad von bis zu 76%. Dieser Wert betrug mehr als das 15-Fache des Wertes der unbeschallten Probe, was einer äquivalenten Wasserstoffdichte von 11,6 mass% bezogen auf das Gewicht von MgH₂ entspricht.“
Die Ergebnisse zeigten, dass Ultraschall die Hydrolysereaktion von MgH₂ verstärkt, indem die Bildung von Radikalen die Reaktionsgeschwindigkeitskonstante erhöht und die Entstehung großer Scherkräfte die passive Mg(OH)₂-Schicht auf dem nicht umgesetzten MgH₂ ablöst. (Hiroi et al. 2011)

Problem: Langsame Hydrolyse von Magnesiumhydrid

Die Förderung der Magnesiumhydridhydrolyse durch Kugelmahlen, Heißwasserbehandlung oder chemische Zusätze wurde untersucht; eine signifikante Steigerung der chemischen Umsatzrate wurde dabei jedoch nicht festgestellt. Chemische Zusätze wie Puffermittel, Chelatbildner und Ionenaustauscher halfen zwar, die Bildung einer passivierenden Mg(OH)₂-Schicht zu verhindern, verursachten aber Verunreinigungen im Post-Mg-Zyklierungsprozess.

Lösung: Dispergieren von Magnesiumhydrid mit Ultraschall

Das Dispergieren und Nassmahlen mit Ultraschall ist eine hocheffiziente Technik zur Herstellung nanoskaliger Partikel und Kristalle mit einer sehr engen Größenverteilung. Durch die gleichmäßige Dispergierung von Magnesiumhydrid in Nanogröße wird die aktive Oberfläche erheblich vergrößert. Darüber hinaus entfernt die Beschallung passivierende Schichten und erhöht den Stofftransport, wodurch höhere chemische Umsatzraten erzielt werden. Ultraschallmahlen, Dispergieren, Deagglomeration und die Reinigung von Partikeloberflächen mit Ultraschall übertreffen andere Mahltechniken hinsichtlich Effizienz, Zuverlässigkeit und Einfachheit.

Das Nassmahlen und Dispergieren mit Ultraschall ist eine hocheffiziente Methode zur Partikelgrößenreduzierung, z.B. von Magnesiumhydrid

Nanostrukturiertes Magnesiumhydrid als verbesserter Wasserstoffspeicher

Die Nanostrukturierung von Magnesiumhydriden ist wissenschaftlich als wirksame Strategie belegt, mit der sich die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften der Absorption und Desorption von MgH2 gleichzeitig verbessern lassen. Nanoskalige bzw. nanostrukturierte Strukturen auf Magnesiumbasis wie MgH2-Nanopartikel und -Nanofasern lassen sich durch eine Verringerung der Partikel- und Korngröße weiter verbessern, wodurch ihre Hydridbildungsenthalpie ΔH sinkt. Berechnungen zeigten, dass die Reaktionsbarriere für die Zersetzung von nanoskaligem MgH2 deutlich niedriger war als bei MgH2 als Volumenmaterial. Dies deutet darauf hin, dass die gezielte Nanostrukturierung von MgH2 thermodynamisch und kinetisch eine verbesserte Leistungsfähigkeit begünstigt. (vgl. Ren et al., 2023)

Vergleich der Energiebarrieren für die Wasserstoffabsorption und -desorption von MgH₂ als Volumenmaterial und nanostrukturiertem ultrafeinem MgH₂.
(Studie und Grafik: ©Zhang et al., 2020)

Zerkleinerung auf Nanogröße und Nanostrukturierung von Magnesiumhydrid mit Ultraschall

Die Nanostrukturierung mit Ultraschall ist eine hochwirksame Technik, mit der sich die Thermodynamik von Magnesiumhydrid verändern lässt, ohne die Wasserstoffkapazität zu beeinträchtigen. Die ultrafeinen MgH₂-Nanopartikel weisen eine deutlich verbesserte Wasserstoffdesorptionskapazität auf. Die Zerkleinerung von Magnesiumhydrid auf Nanogröße ermöglicht es, die Temperatur für die Wasserstoffabsorption und -desorption deutlich zu senken und die Rehydrierungs- und Dehydrierungsrate von MgH₂ zu erhöhen. Dies beruht auf der Einführung von Defekten, der Verkürzung der Wasserstoffdiffusionswege, der Erhöhung der Zahl der Keimbildungsstellen und der Destabilisierung der Mg–H-Bindung.
Eine einfache sonochemische Behandlung ermöglicht die Bildung energiearmer Hydride, insbesondere bei der Behandlung von Magnesiumpartikeln. Beispielsweise zeigten Baidukova et al. (2026), dass sich durch die sonochemische Behandlung von Magnesiumpartikeln in wässrigen Suspensionen energiearme Hydride in einer porösen Magnesium-Magnesiumhydroxid-Matrix bilden lassen.

Sonochemisch synthetisiertes Nano-Magnesiumhydrid zur effizienten Wasserstoffspeicherung

Mit Ultraschall hergestellte Magnesiumhydrid-Nanopartikel ermöglichen bei Umgebungstemperatur die reversible Speicherung von 6,7 wt% Wasserstoff
Die Verwendung von Leichtmetallhydriden als Träger zur Wasserstoffspeicherung ist ein vielversprechender Ansatz für die sichere und effiziente Speicherung von Wasserstoff. Ein bestimmtes Metallhydrid, Magnesiumhydrid (MgH2), hat aufgrund seines hohen Wasserstoffgehalts und des reichlichen natürlichen Vorkommens von Magnesium großes Interesse geweckt. MgH2 als Volumenmaterial hat jedoch den Nachteil, stabil zu sein und Wasserstoff erst bei sehr hohen Temperaturen von mehr als 300°C freizusetzen. Dies ist für Anwendungen zur Wasserstoffspeicherung unpraktisch und ineffizient.
Zhang et al. (2020) untersuchten die Möglichkeit einer reversiblen Wasserstoffspeicherung bei Umgebungstemperatur durch die Herstellung ultrafeiner MgH₂-Nanopartikel. Sie nutzten die Beschallung, um einen Metatheseprozess einzuleiten, der im Wesentlichen einer doppelten Umsetzung entspricht. Eine Suspension aus Flüssigkeit und Feststoffen wurde beschallt, um Nanopartikel zu erzeugen. Diese Nanopartikel wurden ohne zusätzliche Gerüststrukturen erfolgreich mit Größen von überwiegend etwa 4–5 nm hergestellt. Für diese Nanopartikel maßen sie eine reversible Wasserstoffspeicherkapazität von 6,7 wt% bei 30°C, ein bedeutender Erfolg, der zuvor noch nicht nachgewiesen worden war. Ermöglicht wurde dies durch thermodynamische Destabilisierung und verringerte kinetische Barrieren. Die unbeschichteten Nanopartikel zeigten zudem über 50 Zyklen bei 150°C ein stabiles und schnelles Verhalten bei der zyklischen Aufnahme und Abgabe von Wasserstoff, eine deutliche Verbesserung gegenüber MgH₂ als Volumenmaterial. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Beschallung eine mögliche Behandlung ist, um die Effizienz von MgH₂ bei der Wasserstoffspeicherung zu erhöhen.
(vgl. Zhang et al. 2020)

Partikelgrößenverteilung von ultrafeinem MgH₂, das nach der Beschallung hergestellt wurde.
(Studie und Grafik: ©Zhang et al., 2020)

Hochleistungs-Ultraschallgeräte zur Behandlung von Magnesiumhydrid

Die Sonochemie – die Anwendung von Leistungsultraschall auf chemische Reaktionen – ist eine zuverlässige Verfahrenstechnologie, die Synthesen, katalytische Reaktionen und andere heterogene Reaktionen erleichtert und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu industriellen sonochemischen Anlagen für chemische Anwendungen aller Art ab, etwa die Hydrolyse von Magnesiumhydrid sowie dessen Zerkleinerung auf Nanogröße und Nanostrukturierung. Dadurch können wir bei Hielscher Ihnen das am besten geeignete Ultraschallgerät für Ihren geplanten MgH2-Prozess anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeitenden unterstützen Sie von Machbarkeitstests und der Prozessoptimierung bis zur Installation Ihres Ultraschallsystems im endgültigen Produktionsmaßstab.
Dank ihres geringen Platzbedarfs und der vielseitigen Installationsmöglichkeiten passen unsere Ultraschallhomogenisatoren auch in Produktionsanlagen mit begrenztem Raumangebot. Ultraschallprozessoren werden weltweit in Produktionsanlagen der Feinchemie, Petrochemie und Nanomaterialherstellung eingesetzt.

Chargenbetrieb und Inline-Verarbeitung

Die sonochemischen Geräte von Hielscher können für die chargenweise Verarbeitung und die kontinuierliche Durchflussverarbeitung eingesetzt werden. Die chargenweise Ultraschallbehandlung eignet sich ideal für Prozesstests, Optimierung und die Produktion im kleinen bis mittleren Maßstab. Für die Herstellung großer Materialmengen kann die Inline-Verarbeitung vorteilhafter sein. Ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess erfordert einen durchdachten Aufbau – bestehend aus einer Pumpe, Schläuchen oder Rohrleitungen und Behältern –, ist jedoch hocheffizient, schnell und mit deutlich geringerem Arbeitsaufwand verbunden. Hielscher Ultrasonics bietet den am besten geeigneten sonochemischen Anlagenaufbau für Ihre sonochemische Synthesereaktion, Ihr Verarbeitungsvolumen und Ihre Ziele.

Sonotroden und Ultraschallreaktoren für die MgH₂-Hydrolyse in jedem Maßstab

Das Produktsortiment von Hielscher Ultrasonics deckt das gesamte Spektrum an Ultraschallprozessoren ab: von kompakten Labor-Ultraschallgeräten über Tischgeräte und Pilotanlagen bis hin zu Ultraschallprozessoren für den industriellen Großeinsatz, die pro Stunde ganze Lkw-Ladungen verarbeiten können. Dank dieses umfassenden Produktsortiments können wir Ihnen den am besten geeigneten Ultraschallhomogenisator für Ihre Prozesskapazität und Produktionsziele anbieten.
Ultraschall-Tischgeräte eignen sich ideal für Machbarkeitstests und die Prozessoptimierung. Die lineare Maßstabsvergrößerung auf Grundlage etablierter Prozessparameter erleichtert es erheblich, die Verarbeitungskapazität von kleineren Chargen bis hin zur kommerziellen Produktion im vollen Maßstab zu steigern. Die Maßstabsvergrößerung kann entweder durch die Installation eines leistungsstärkeren Ultraschallgeräts oder durch die Parallelschaltung mehrerer Ultraschallgeräte erfolgen. Mit dem UIP16000 bietet Hielscher den weltweit leistungsstärksten Ultraschallhomogenisator.

Präzise regelbare Amplituden für optimale Ergebnisse

Alle Ultraschallgeräte von Hielscher sind präzise regelbar und damit zuverlässige Arbeitspferde in der Produktion. Die Amplitude ist einer der entscheidenden Prozessparameter, die die Effizienz und Wirksamkeit sonochemischer Reaktionen beeinflussen. Alle Prozessoren von Hielscher Ultrasonics ermöglichen eine präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Booster sind Zubehörteile, mit denen sich die Amplitude in einem noch größeren Bereich verändern lässt. Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher können sehr hohe Amplituden erzeugen und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb nutzen.
Präzise Amplitudeneinstellungen und die permanente Überwachung der Ultraschallprozessparameter durch intelligente Software ermöglichen es Ihnen, Ihre Reagenzien unter den wirksamsten Ultraschallbedingungen zu behandeln. Optimale Beschallung für eine herausragende chemische Umsatzrate!
Die Robustheit der Ultraschallgeräte von Hielscher ermöglicht den 24/7-Betrieb unter hoher Belastung und in anspruchsvollen Umgebungen. Damit sind die Ultraschallgeräte von Hielscher zuverlässige Arbeitsmittel, die Ihre Anforderungen an chemische Prozesse erfüllen.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen in Familienbesitz legt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren größten Wert auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden an unserem Hauptsitz in Teltow bei Berlin in Deutschland entwickelt, hergestellt und gründlich geprüft. Robustheit und Zuverlässigkeit machen die Ultraschallgeräte von Hielscher zu Arbeitspferden in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hochleistungsmischer von Hielscher.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden erzeugen. Amplituden von bis zu 200µm lassen sich problemlos im kontinuierlichen 24/7-Betrieb nutzen. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.

Die folgende Tabelle gibt Ihnen einen Überblick über die ungefähre Verarbeitungskapazität unserer Ultraschallgeräte: