Magnesiumhydrid in Nanogröße als effizienter Wasserstoffspeicher

Magnesiumhydrid wird mit Ultraschall behandelt, um die Hydrolyse des Magnesiumhydrids zu beschleunigen und die Wasserstofferzeugung zu verbessern. Darüber hinaus weisen mit Ultraschall nanostrukturierte Magnesiumhydride, d. h. MgH2-Nanopartikel, eine verbesserte Wasserstoffspeicherkapazität auf.

Magnesiumhydrid für die Wasserstoffspeicherung

Magnesiumhydrid, MgH₂hat als Option für die Wasserstoffspeicherung große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die wichtigsten Vorteile sind die reichlich vorhandenen Ressourcen, die hohe Leistung, das geringe Gewicht, die niedrigen Kosten und die Sicherheit. Im Vergleich zu anderen Hydriden, die für die Wasserstoffspeicherung verwendet werden können, ist MgH₂ hat mit bis zu 7,6 Gew.-% die höchsten Wasserstoffspeicherdichten. 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 Metallhydriden 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 wie folgt: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Die hohe Wärmebehandlung geht mit erheblichen Degradationseffekten der Hydride einher, z. B. Rekristallisation, Phasentrennung, Agglomeration von Nanopartikeln usw. Außerdem machen hohe Temperaturen und Drücke die Bildung von MgH2 energieintensiv, komplex und damit teuer.

Ultraschall-Hydrolyse von Magnesiumhydrid

Hiroi et al. (2011) wiesen nach, dass die Beschallung von MgH2-Nanopartikeln und Nanofasern die Hydrolysereaktion MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ verstärkt. In dieser Studie wiesen die MgH2-Nanofasern eine maximale Wasserstoffspeicherkapazität von 14,4 Massenprozent bei Raumtemperatur auf. Darüber hinaus wiesen die Forscher nach, dass eine Kombination aus Beschallung und MgH2-Hydrolyse sehr effektiv für die effiziente Erzeugung von Wasserstoff ohne Erhitzen und Zugabe von chemischen Mitteln ist. Sie fanden auch heraus, dass Ultraschall mit niedriger Frequenz die effizienteste Methode ist, um eine hohe Umwandlungsrate zu erzielen. Die Hydrolyserate bei niederfrequenter Beschallung "erreichte bei 7,2 ks und einer Ultraschallfrequenz von 28 kHz einen Reaktionsgrad von 76 %. Dieser Wert war mehr als 15-mal so hoch wie bei der nicht beschallten Probe, was auf eine äquivalente Wasserstoffdichte von 11,6 Massenprozent auf der Grundlage des Gewichts 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 Magnesiumhydrid-Hydrolyse durch Kugelmahlung, Heißwasserbehandlung oder chemische Zusätze wurde untersucht, konnte aber die chemische Umwandlungsrate nicht wesentlich verbessern. Was die Zugabe von Chemikalien betrifft, so führten chemische Zusätze wie Puffermittel, Chelatoren und Ionenaustauscher, die die Bildung einer passivierenden Mg(OH)2-Schicht verhindern halfen, zu Verunreinigungen im Post-Mg-Zyklusprozess.

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.

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

Nanostrukturiertes Magnesiumhydrid als verbesserter Wasserstoffspeicher

Die Nanostrukturierung von Magnesiumhydriden hat sich wissenschaftlich als wirksame Strategie erwiesen, mit der sich die thermodynamischen und kinetischen Eigenschaften von MgH2 bei der Ab-/Desorption verbessern lassen. Nanogroße/nanostrukturierte Strukturen auf Magnesiumbasis wie MgH2-Nanopartikel und Nanofasern können durch Verringerung der Partikel- und Korngröße weiter verbessert werden, wodurch ihre Hydridbildungsenthalpie ΔH verringert wird. Berechnungen ergaben, dass die Reaktionsbarriere für die Zersetzung von MgH2 in Nanogröße bemerkenswert niedriger ist als die von MgH2 in Masse, was darauf hindeutet, dass die Nanostrukturierung von MgH2 thermodynamisch und kinetisch günstig für die verbesserte Leistung ist. (vgl. Ren et al., 2023)

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

Nanosizing und Nanostrukturierung von Magnesiumhydrid mit Ultraschall

Die Nanostrukturierung mit Ultraschall ist eine hochwirksame Technik, die es ermöglicht, die Thermodynamik von Magnesiumhydrid zu verändern, ohne die Wasserstoffkapazität zu beeinträchtigen. Die ultrafeinen MgH2-Nanopartikel weisen eine deutlich verbesserte Wasserstoffdesorptionskapazität auf. Die Nanogröße von Magnesiumhydrid ist eine Möglichkeit, die Wasserstoffab- bzw. -desorptionstemperatur deutlich zu senken und die Rate der Re- bzw. Dehydrierung von MgH2 zu erhöhen, was auf die Einführung von Defekten, die Verkürzung der Wasserstoffdiffusionswege, die Vergrößerung der Keimbildungsstellen und die Destabilisierung der Mg-H-Bindung zurückzuführen ist.
Eine einfache sonochemische Behandlung bietet die Möglichkeit der Bildung von niederenergetischen Hydriden, insbesondere bei der Behandlung von Magnesiumteilchen. So haben Baidukova et al. (2026) die Möglichkeit der Bildung niederenergetischer Hydride in einer porösen Magnesium-Magnesiumhydroxid-Matrix durch die sonochemische Behandlung von Magnesiumpartikeln in wässrigen Suspensionen nachgewiesen.

Sonochemisch synthetisiertes Nano-Magnesiumhydrid für effiziente Wasserstoffspeicherung

Mit Ultraschall hergestellte Magnesiumhydrid-Nanopartikel erreichen bei Raumtemperatur eine reversible Speicherung von 6,7 Gew.-% Wasserstoff
Die Verwendung von Leichtmetallhydriden als Träger für die 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 Vorkommens von Magnesium in der Natur großes Interesse geweckt. MgH2 hat jedoch den Nachteil, dass es stabil ist und erst bei sehr hohen Temperaturen von mehr als 300 °C Wasserstoff freisetzt. Dies ist für Anwendungen im Zusammenhang mit der Wasserstoffspeicherung unpraktisch und ineffizient.
Zhang et al. (2020) untersuchten die Möglichkeit einer reversiblen Wasserstoffspeicherung bei Umgebungstemperatur durch die Herstellung ultrafeiner Nanopartikel aus MgH2. Sie nutzten die Beschallung, um einen Metatheseprozess in Gang zu setzen, bei dem es sich effektiv um einen doppelten Zersetzungsprozess handelt. Die Beschallung wurde auf eine Aufschlämmung aus Flüssigkeit und Feststoffen angewandt, um Nanopartikel zu erzeugen. Diese Nanopartikel, die ohne zusätzliche Gerüststrukturen auskommen, wurden erfolgreich hergestellt und haben eine Größe von etwa 4-5 nm. Bei diesen Nanopartikeln wurde eine reversible Wasserstoffspeicherkapazität von 6,7 Gew.-% bei 30 °C gemessen, eine beachtliche Leistung, die bisher noch nicht nachgewiesen wurde. Ermöglicht wurde dies durch thermodynamische Destabilisierung und verringerte kinetische Barrieren. Die nackten Nanopartikel zeigten auch ein stabiles und schnelles Wasserstoffzyklusverhalten während 50 Zyklen bei 150°C, eine bemerkenswerte Verbesserung im Vergleich zu MgH2-Masse. Diese Ergebnisse zeigen, dass die Beschallung eine mögliche Behandlung darstellt, die zu einer höheren Effizienz von MgH2 für die Wasserstoffspeicherung führt.
(vgl. Zhang et al. 2020)

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

Hochleistungs-Ultraschallgeräte für die Behandlung von Magnesiumhydrid

Sonochemie – die Anwendung von Leistungsultraschall auf chemische Reaktionen – ist eine zuverlässige Verfahrenstechnik, die Synthesen, katalytische Reaktionen und andere heterogene Reaktionen erleichtert und beschleunigt. Das Portfolio von Hielscher Ultrasonics reicht von kompakten Labor-Ultraschallgeräten bis hin zu industriellen sonochemischen Systemen für alle Arten von chemischen Anwendungen wie z.B. die Hydrolyse von Magnesiumhydrid und dessen Nanomahlung/Nanostrukturierung. So können wir Ihnen bei Hielscher den für Ihr geplantes MgH2-Verfahren am besten geeigneten Ultraschallgenerator anbieten. Unsere langjährig erfahrenen Mitarbeiter unterstützen Sie von der Machbarkeitsprüfung über die Prozessoptimierung bis hin zur Installation Ihres Ultraschallsystems in der Endfertigung.
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

Hielscher sonochemische Anlagen können für Batch- und kontinuierliche Durchflussverfahren eingesetzt werden. Die Ultraschall-Batch-Verarbeitung ist ideal für Prozesstests, Optimierung und kleine bis mittlere Produktionsmengen. Für die Herstellung großer Mengen von Materialien kann die Inline-Verarbeitung vorteilhafter sein. Ein kontinuierlicher Inline-Mischprozess erfordert einen ausgeklügelten 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

Die 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. Alle Hielscher Ultrasonics-Prozessoren ermöglichen die präzise Einstellung der Amplitude. Sonotroden und Boosterhörner sind Zubehörteile, mit denen sich die Amplitude in einem noch größeren Bereich verändern lässt. Hielscher Industrie-Ultraschallprozessoren können sehr hohe Amplituden liefern und liefern die erforderliche Ultraschallintensität für anspruchsvolle Anwendungen. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren 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 Hielscher Ultraschallgeräte zu einem zuverlässigen Arbeitsmittel, das die Anforderungen Ihrer chemischen Prozesse erfüllt.

Höchste Qualität – entwickelt und hergestellt in Deutschland

Als familiengeführtes Unternehmen setzt Hielscher bei seinen Ultraschallprozessoren auf höchste Qualitätsstandards. Alle Ultraschallgeräte werden in unserem Stammhaus in Teltow bei Berlin entwickelt, gefertigt und auf Herz und Nieren geprüft. Die Robustheit und Zuverlässigkeit der Hielscher Ultraschallgeräte machen sie zu einem Arbeitspferd in Ihrer Produktion. Der 24/7-Betrieb unter Volllast und in anspruchsvollen Umgebungen ist eine selbstverständliche Eigenschaft der Hielscher Hochleistungsmischer.
Die industriellen Ultraschallprozessoren von Hielscher Ultrasonics können sehr hohe Amplituden liefern. Amplituden von bis zu 200µm können problemlos im 24/7-Betrieb gefahren werden. Für noch höhere Amplituden sind kundenspezifische Ultraschallsonotroden erhältlich.

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