Hidruro de magnesio nanométrico como almacenamiento eficaz de hidrógeno

La sonicación se aplica al hidruro de magnesio para acelerar su hidrólisis y mejorar la generación de hidrógeno. Además, el hidruro de magnesio nanoestructurado por ultrasonidos, es decir, las nanopartículas de MgH2, muestran una mejor capacidad de almacenamiento de hidrógeno.

Hidruro de magnesio para el almacenamiento de hidrógeno

Hidruro de magnesio, MgH₂ha llamado mucho la atención como opción para el almacenamiento de hidrógeno. Sus principales ventajas son la abundancia de recursos, el alto rendimiento, la ligereza, el bajo coste y la seguridad. En comparación con otros hidruros utilizables para el almacenamiento de hidrógeno, el MgH₂ tiene las mayores densidades de almacenamiento de hidrógeno, con hasta un 7,6% en peso. El hidrógeno puede almacenarse en Mg en forma de hidruros metálicos basados en Mg. El proceso de síntesis del MgH2 se conoce como quimisorción disociativa. Un método común para producir hidruros metálicos a base de Mg a partir de Mg y H2, es la formación a una temperatura de 300-400°C y una presión de hidrógeno de 2,4-40 MPa. La ecuación de formación es la siguiente Mg + H₂ ⇌ MgH₂
El tratamiento térmico elevado conlleva importantes efectos de degradación de los hidruros, como la recristalización, la segregación de fases, la aglomeración de nanopartículas, etc. Además, las altas temperaturas y presiones hacen que la formación de MgH2 requiera mucha energía, sea compleja y, por tanto, cara.

Hidrólisis ultrasónica del hidruro de magnesio

Hiroi et al. (2011) demostraron que la sonicación de nanopartículas y nanofibras de MgH2 intensificaba la reacción de hidrólisis MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. En este estudio, las nanofibras de MgH2 mostraron una capacidad máxima de almacenamiento de hidrógeno del 14,4% en masa a temperatura ambiente. Además, los investigadores demostraron que una combinación de sonicación e hidrólisis de MgH2 es considerablemente eficaz para generar hidrógeno de forma eficiente sin necesidad de calentar ni añadir ningún agente químico. También descubrieron que los ultrasonidos de baja frecuencia eran el método más eficaz para obtener una tasa de conversión elevada. La tasa de hidrólisis en sonicación de baja frecuencia "alcanzó hasta un 76% en términos del grado de reacción a 7,2 ks a una frecuencia ultrasónica de 28 kHz. Este valor era más de 15 veces superior al obtenido en el caso de la muestra no sonicada, lo que indica una densidad de hidrógeno equivalente del 11,6% en masa sobre la base del peso del MgH2".
Los resultados revelaron que el ultrasonido mejorará la reacción de hidrólisis de MgH2 aumentando la constante de velocidad de reacción debido a la generación de radicales y exfoliando la capa pasiva de Mg(OH)2 sobre el MgH2 sin reaccionar debido a la generación de grandes fuerzas de cizallamiento. (Hiroi et al. 2011)

Problema: Hidrólisis lenta del hidruro de magnesio

Se ha investigado la promoción de la hidrólisis del hidruro de magnesio mediante molienda por bolas, tratamiento con agua caliente o aditivos químicos, pero no se ha comprobado que mejoren la tasa de conversión química de forma significativa. En cuanto a la adición de productos químicos, los aditivos químicos, como agentes tamponadores, quelantes e intercambiadores de iones, que ayudaron a evitar la formación de una capa pasivante de Mg(OH)2, produjeron impurezas en el proceso posterior a la ciclación del Mg.

Solución: Dispersión ultrasónica de hidruro de magnesio

La dispersión ultrasónica y la molienda en húmedo son técnicas muy eficaces para producir partículas y cristales de tamaño nanométrico con una curva de distribución muy estrecha. Al dispersar uniformemente el hidruro de magnesio en tamaño nanométrico, la superficie activa aumenta considerablemente. Además, la sonicación elimina las capas de pasivación y aumenta la transferencia de masa para obtener tasas de conversión química superiores. La molienda por ultrasonidos, la dispersión, la desaglomeración y la limpieza de la superficie de las partículas superan a otras técnicas de molienda en eficacia, fiabilidad y simplicidad.

La molienda en húmedo y la dispersión por ultrasonidos son métodos muy eficaces para reducir el tamaño de las partículas, por ejemplo, de hidruro de magnesio.

Hidruro de magnesio nanoestructurado para mejorar el almacenamiento de hidrógeno

Se ha demostrado científicamente que la nanoestructuración de los hidruros de magnesio es una estrategia eficaz que permite mejorar simultáneamente las propiedades termodinámicas y cinéticas de ab/desorción del MgH2. Las estructuras nanométricas / nanoestructuradas basadas en magnesio, como las nanopartículas y nanofibras de MgH2, pueden mejorarse aún más reduciendo el tamaño de partícula y de grano, disminuyendo así su entalpía de formación de hidruros ΔH. Los cálculos revelaron que la barrera de reacción para la descomposición del MgH2 nanométrico era notablemente inferior a la del MgH2 a granel, lo que indica que la ingeniería de la nanoestructura del MgH2 es termodinámica y cinéticamente favorable para la mejora del rendimiento. (cf. Ren et al., 2023)

Comparación de las barreras energéticas para la absorción y desorción de hidrógeno de MgH2 a granel y MgH2 ultrafino nanoestructurado.
(estudio y gráfico: ©Zhang et al., 2020)

Nanotecnología ultrasónica y nanoestructuración de hidruro de magnesio

La nanoestructuración ultrasónica es una técnica muy eficaz que permite modificar la termodinámica del hidruro de magnesio sin afectar a la capacidad de hidrógeno. Las nanopartículas ultrafinas de MgH2 presentan una capacidad de desorción de hidrógeno significativamente mejorada. El nanodimensionamiento del hidruro de magnesio es una forma de reducir significativamente la temperatura de ab/desorción de hidrógeno y aumentar la velocidad de re/deshidrogenación del MgH2, debido a la introducción de defectos, el acortamiento de las vías de difusión del hidrógeno, el aumento de los sitios de nucleación y la desestabilización del enlace Mg-H.
Un simple tratamiento sonoquímico ofrece la posibilidad de formar hidruros de baja energía, en particular, en el caso del tratamiento de partículas de magnesio. Por ejemplo, Baidukova et al. (2026) demostraron la posibilidad de formar hidruros de baja energía en una matriz porosa de hidróxido de magnesio-magnesio mediante el tratamiento sonoquímico de partículas de magnesio en suspensiones acuosas.

Nanohidruro de magnesio sintetizado sonoquímicamente para el almacenamiento eficiente de hidrógeno

Nanopartículas de hidruro de magnesio preparadas por ultrasonidos logran un almacenamiento reversible de hidrógeno a temperatura ambiente del 6,7 % en peso
El uso de hidruros de metales ligeros como portadores para el almacenamiento de hidrógeno es un planteamiento prometedor para el almacenamiento seguro y eficiente del hidrógeno. Un hidruro metálico concreto, el hidruro de magnesio (MgH2), ha despertado un gran interés debido a su alto contenido en hidrógeno y a la abundancia de magnesio en la naturaleza. Sin embargo, el MgH2 a granel tiene el inconveniente de ser estable, ya que sólo libera hidrógeno a temperaturas muy elevadas, superiores a 300ºC. Esto resulta poco práctico e ineficaz para aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de hidrógeno.
Zhang et al. (2020) investigaron la posibilidad de almacenamiento reversible de hidrógeno a temperatura ambiente mediante la creación de nanopartículas ultrafinas de MgH2. Utilizaron la sonicación para iniciar un proceso de metátesis, que es efectivamente un proceso de doble descomposición. La sonicación se aplicó a una suspensión líquida y sólida con el fin de crear nanopartículas. Estas nanopartículas, sin estructuras de andamiaje adicionales, se produjeron con éxito con tamaños predominantemente en torno a 4-5 nm. Para estas nanopartículas, se midió una capacidad reversible de almacenamiento de hidrógeno del 6,7% en peso a 30°C, un logro significativo que no se había demostrado antes. Esto fue posible gracias a la desestabilización termodinámica y a la reducción de las barreras cinéticas. Las nanopartículas desnudas también mostraron un comportamiento estable y rápido en ciclos de hidrógeno durante 50 ciclos a 150°C, una mejora notable en comparación con el MgH2 a granel. Estos hallazgos presentan la sonicación como un tratamiento potencial que conduce a una mayor eficiencia del MgH2 para el almacenamiento de hidrógeno.
(cf. Zhang et al. 2020)

Distribución del tamaño de las partículas de MgH2 ultrafino preparado tras sonicación.
(estudio y gráfico: ©Zhang et al., 2020)

Ultrasonidos de alto rendimiento para el tratamiento de hidruros de magnesio

Sonoquímica – la aplicación de ultrasonidos de potencia a las reacciones químicas – es una tecnología de procesamiento fiable, que facilita y acelera las síntesis, reacciones catalíticas y otras reacciones heterogéneas. La cartera de productos de Hielscher Ultrasonics cubre toda la gama, desde ultrasonidos compactos de laboratorio hasta sistemas sonoquímicos industriales para todo tipo de aplicaciones químicas, como la hidrólisis de hidruro de magnesio y su nanofresado/nanoestructuración. Esto nos permite en Hielscher ofrecerle el ultrasonicador más adecuado para su proceso de MgH2 previsto. Nuestro experimentado personal le ayudará desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema de ultrasonidos en el nivel de producción final.
El reducido tamaño de nuestros homogeneizadores ultrasónicos, así como su versatilidad en cuanto a opciones de instalación, hacen que encajen incluso en instalaciones de procesamiento con poco espacio. Los procesadores ultrasónicos se instalan en todo el mundo en instalaciones de química fina, petroquímica y producción de nanomateriales.

por lotes y en línea

Los equipos sonoquímicos de Hielscher pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y en continuo. El procesamiento por lotes con ultrasonidos es ideal para pruebas de procesos, optimización y niveles de producción pequeños y medianos. Para producir grandes volúmenes de materiales, el procesamiento en línea puede ser más ventajoso. Un proceso de mezclado continuo en línea requiere una configuración sofisticada. – consistente en una bomba, mangueras o tuberías y depósitos-, pero es altamente eficaz, rápido y requiere mucha menos mano de obra. Hielscher Ultrasonics tiene la configuración sonoquímica más adecuada para su reacción de sonosíntesis, volumen de procesamiento y objetivos.

Sondas ultrasónicas y reactores para hidrólisis de MgH2 a cualquier escala

La gama de productos de Hielscher Ultrasonics cubre todo el espectro de procesadores por ultrasonidos, desde compactos ultrasonicadores de laboratorio, pasando por sistemas de sobremesa y piloto, hasta procesadores por ultrasonidos totalmente industriales con capacidad para procesar camiones cargados por hora. La gama completa de productos nos permite ofrecerle el homogeneizador ultrasónico más adecuado para su capacidad de proceso y sus objetivos de producción.
Los sistemas ultrasónicos de sobremesa son ideales para pruebas de viabilidad y optimización de procesos. El escalado lineal basado en parámetros de proceso establecidos facilita enormemente el aumento de las capacidades de procesamiento desde lotes más pequeños hasta la producción totalmente comercial. La ampliación puede realizarse instalando una unidad ultrasónica más potente o agrupando varios ultrasonicadores en paralelo. Con el UIP16000, Hielscher ofrece el homogeneizador ultrasónico más potente del mundo.

Amplitudes controlables con precisión para resultados óptimos

Todos los ultrasonidos de Hielscher se pueden controlar con precisión y, por tanto, son caballos de batalla fiables en la producción. La amplitud es uno de los parámetros cruciales del proceso que influyen en la eficiencia y eficacia de las reacciones sonoquímicas. Todos los procesadores de Hielscher Ultrasonics permiten ajustar con precisión la amplitud. Los sonotrodos y las bocinas de refuerzo son accesorios que permiten modificar la amplitud en un rango aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy elevadas y ofrecer la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7.
Los ajustes precisos de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante un software inteligente le ofrecen la posibilidad de tratar sus reactivos con las condiciones ultrasónicas más eficaces. Sonicación óptima para una excelente tasa de conversión química.
La robustez de los equipos de ultrasonidos de Hielscher permite un funcionamiento ininterrumpido en servicio pesado y en entornos exigentes. Esto convierte a los equipos de ultrasonidos de Hielscher en una herramienta de trabajo fiable que cumple los requisitos de sus procesos químicos.

Máxima calidad – Diseñado y fabricado en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher prioriza los más altos estándares de calidad para sus procesadores por ultrasonidos. Todos los equipos de ultrasonidos se diseñan, fabrican y prueban exhaustivamente en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín (Alemania). La robustez y fiabilidad de los equipos de ultrasonidos Hielscher los convierten en un caballo de batalla en su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica natural de los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy elevadas. Amplitudes de hasta 200µm pueden funcionar fácilmente de forma continua en funcionamiento 24/7. Para amplitudes aún mayores, hay disponibles sonotrodos ultrasónicos personalizados.

En la siguiente tabla encontrará algunas indicaciones sobre la capacidad de procesamiento aproximada de nuestros sonicadores: