Hidruro de magnesio de tamaño nanométrico para un almacenamiento eficiente de hidrógeno

La sonicación se aplica al hidruro de magnesio para acelerar su hidrólisis y aumentar la generación de hidrógeno. Además, el hidruro de magnesio nanoestructurado mediante ultrasonidos, es decir, las nanopartículas de MgH₂, presenta una mayor capacidad de almacenamiento de hidrógeno.

Hidruro de magnesio para el almacenamiento de hidrógeno

El hidruro de magnesio, MgH₂, ha despertado un gran interés como opción para el almacenamiento de hidrógeno. Sus principales ventajas son la abundancia de la materia prima, el alto rendimiento, el bajo peso, el bajo coste y la seguridad. En comparación con otros hidruros utilizables para el almacenamiento de hidrógeno, MgH₂ presenta las mayores densidades de almacenamiento de hidrógeno, con hasta 7,6 wt %. El hidrógeno puede almacenarse en Mg en forma de hidruros metálicos a base de Mg. El proceso de síntesis de MgH₂ se conoce como quimisorción disociativa. Un método habitual para producir hidruro metálico a base de Mg a partir de Mg y H2 es su 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 a alta temperatura conlleva efectos significativos de degradación de los hidruros, como recristalización, segregación de fases, aglomeración de nanopartículas, etc. Además, las altas temperaturas y presiones hacen que la formación de MgH2 requiera mucha energía, sea compleja y, por tanto, costosa.

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 presentaron la capacidad máxima de almacenamiento de hidrógeno de 14,4 mass% a temperatura ambiente. Además, los investigadores demostraron que la combinación de sonicación e hidrólisis de MgH₂ es considerablemente eficaz para generar hidrógeno de manera eficiente sin calentamiento ni adición de ningún agente químico. También observaron que los ultrasonidos de baja frecuencia eran el método más eficiente para obtener una alta tasa de conversión. La tasa de hidrólisis con sonicación de baja frecuencia «alcanzó hasta el 76% en términos del grado de reacción a los 7,2 ks, con una frecuencia ultrasónica de 28 kHz. Este valor fue más de 15 veces el obtenido en la muestra no sonicada, lo que indica una densidad equivalente de hidrógeno de 11,6 mass% respecto al peso de MgH₂».
Los resultados revelaron que los ultrasonidos mejoran la reacción de hidrólisis de MgH₂ al aumentar la constante de velocidad de reacción debido a la generación de radicales y al desprender la capa pasiva de Mg(OH)₂ que recubre el MgH₂ sin reaccionar mediante 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 de bolas, tratamiento con agua caliente o aditivos químicos, pero no se observó una mejora significativa de la tasa de conversión química. En cuanto a la adición de sustancias químicas, los aditivos como los agentes tamponadores, los quelantes y los intercambiadores iónicos, que ayudaban a prevenir la formación de una capa pasivante de Mg(OH)₂, generaban impurezas en el proceso de ciclado post-Mg.

Solución: dispersión ultrasónica del hidruro de magnesio

La dispersión ultrasónica y la molienda en húmedo constituyen una técnica muy eficiente para producir partículas y cristales de tamaño nanométrico con una curva de distribución muy estrecha. Al dispersar uniformemente el hidruro de magnesio en partículas de tamaño nanométrico, la superficie activa aumenta significativamente. Además, la sonicación elimina las capas pasivantes y aumenta la transferencia de masa, lo que permite obtener tasas de conversión química superiores. La molienda, la dispersión, la desaglomeración y la limpieza de la superficie de las partículas mediante ultrasonidos superan a otras técnicas de molienda en eficiencia, fiabilidad y sencillez.

La molienda en húmedo y la dispersión ultrasónicas constituyen un método muy eficiente 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 absorción y desorción del MgH2. Las estructuras a base de magnesio de tamaño nanométrico o nanoestructuradas, como las nanopartículas y las nanofibras de MgH2, pueden mejorarse aún más al reducir el tamaño de las partículas y de los granos, disminuyendo así su entalpía de formación del hidruro ΔH. Los cálculos revelaron que la barrera de reacción para la descomposición del MgH2 de tamaño nanométrico era notablemente inferior a la del MgH2 masivo, lo que indica que la ingeniería de nanoestructuras de MgH2 favorece termodinámica y cinéticamente la mejora del rendimiento. (cf. Ren et al., 2023)

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

Reducción a tamaño nanométrico y nanoestructuración del hidruro de magnesio mediante ultrasonidos

La nanoestructuración ultrasónica es una técnica muy eficaz que permite modificar la termodinámica del hidruro de magnesio sin afectar a su capacidad de almacenamiento de hidrógeno. Las nanopartículas ultrafinas de MgH₂ presentan una capacidad de desorción de hidrógeno significativamente mejorada. La reducción del hidruro de magnesio a tamaño nanométrico permite disminuir significativamente la temperatura de absorción y desorción de hidrógeno y aumentar la velocidad de rehidrogenación y deshidrogenación del MgH₂, gracias a la introducción de defectos, el acortamiento de las vías de difusión del hidrógeno, el aumento de los sitios de nucleación y la desestabilización de los enlaces Mg–H.
Un sencillo tratamiento sonoquímico permite la formación de hidruros de baja energía, en particular al tratar partículas de magnesio. Por ejemplo, Baidukova et al. (2026) demostraron la posibilidad de formar hidruros de baja energía en una matriz porosa de magnesio e hidróxido de magnesio mediante el tratamiento sonoquímico de partículas de magnesio en suspensiones acuosas.

Nanohidruro de magnesio sintetizado sonoquímicamente para un almacenamiento eficiente de hidrógeno

Las nanopartículas de hidruro de magnesio preparadas mediante ultrasonidos permiten un almacenamiento reversible de hidrógeno de 6,7 wt% a temperatura ambiente
El uso de hidruros de metales ligeros como portadores para el almacenamiento de hidrógeno es un enfoque prometedor para almacenar hidrógeno de forma segura y eficiente. Un hidruro metálico en particular, el hidruro de magnesio (MgH2), ha despertado un gran interés debido a su alto contenido de hidrógeno y a la abundancia del magnesio en la naturaleza. Sin embargo, el MgH2 masivo tiene el inconveniente de ser estable y liberar hidrógeno únicamente a temperaturas muy altas, superiores a 300 °C. Esto resulta poco práctico e ineficiente para las aplicaciones relacionadas con el almacenamiento de hidrógeno.
Zhang et al. (2020) investigaron la posibilidad de almacenar hidrógeno de forma reversible a temperatura ambiente mediante la creación de nanopartículas ultrafinas de MgH₂. Utilizaron la sonicación para iniciar un proceso de metátesis, que es, en esencia, un proceso de doble descomposición. La sonicación se aplicó a una suspensión compuesta por líquido y sólidos con el objetivo de crear nanopartículas. Estas nanopartículas se produjeron satisfactoriamente sin estructuras de soporte adicionales, con tamaños predominantemente de alrededor de 4-5 nm. En estas nanopartículas, los investigadores midieron una capacidad reversible de almacenamiento de hidrógeno de 6,7 wt% a 30 °C, un logro significativo que no se había demostrado anteriormente. Esto fue posible gracias a la desestabilización termodinámica y a la reducción de las barreras cinéticas. Las nanopartículas sin soporte también mostraron un comportamiento de ciclado de hidrógeno estable y rápido durante 50 ciclos a 150 °C, una mejora notable en comparación con el MgH₂ masivo. Estos resultados presentan la sonicación como un tratamiento potencial para aumentar la eficiencia del MgH₂ en el almacenamiento de hidrógeno.
(cf. Zhang et al. 2020)

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

Sonicadores de alto rendimiento para el tratamiento del hidruro de magnesio

La sonoquímica –la aplicación de ultrasonidos de potencia a las reacciones químicas– es una tecnología de procesamiento fiable que facilita y acelera las síntesis, las reacciones catalíticas y otras reacciones heterogéneas. La gama de Hielscher Ultrasonics abarca desde sonicadores compactos de laboratorio hasta sistemas sonoquímicos industriales para todo tipo de aplicaciones químicas, como la hidrólisis del hidruro de magnesio y su molienda a escala nanométrica o nanoestructuración. Esto nos permite en Hielscher ofrecerle el sonicador más adecuado para el proceso de MgH2 que tiene previsto. Nuestro personal, con muchos años de experiencia, le acompañará desde las pruebas de viabilidad y la optimización del proceso hasta la instalación de su sistema ultrasónico a la escala de producción final.
El reducido espacio que ocupan nuestros homogeneizadores ultrasónicos y la versatilidad de sus opciones de instalación permiten integrarlos incluso en instalaciones de procesamiento con poco espacio. Los procesadores ultrasónicos están instalados en plantas de química fina, petroquímica y producción de nanomateriales de todo el mundo.

Por lotes y en línea

Los equipos sonoquímicos de Hielscher pueden utilizarse para el procesamiento por lotes y en flujo continuo. El procesamiento ultrasónico por lotes es ideal para las pruebas de proceso, la optimización y la producción a pequeña y mediana escala. Para producir grandes volúmenes de materiales, el procesamiento en línea puede resultar más ventajoso. Un proceso de mezcla continuo en línea requiere una configuración sofisticada –compuesta por una bomba, mangueras o tuberías y depósitos–, pero es muy eficiente, rápido y requiere considerablemente menos mano de obra. Hielscher Ultrasonics dispone de la configuración sonoquímica más adecuada para su reacción de sonosíntesis, su volumen de procesamiento y sus objetivos.

Sondas y reactores ultrasónicos para la hidrólisis de MgH₂ a cualquier escala

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

Amplitudes controlables con precisión para obtener resultados óptimos

Todos los sonicadores Hielscher pueden controlarse con precisión y, por ello, son equipos de trabajo fiables en producción. La amplitud es uno de los parámetros de proceso fundamentales que influyen en la eficiencia y la eficacia de las reacciones sonoquímicas Todos los procesadores de Hielscher Ultrasonics permiten ajustar la amplitud con precisión. Los sonotrodos y los amplificadores de amplitud son accesorios que permiten modificar la amplitud en un intervalo aún más amplio. Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher pueden proporcionar amplitudes muy altas y la intensidad ultrasónica necesaria para aplicaciones exigentes. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen de 24/7.
El ajuste preciso de la amplitud y la supervisión permanente de los parámetros del proceso ultrasónico mediante software inteligente le permiten tratar sus reactivos en las condiciones ultrasónicas más eficaces. ¡Sonicación óptima para una tasa de conversión química excepcional!
La robustez de los equipos ultrasónicos Hielscher permite el funcionamiento 24/7 en condiciones de trabajo intensivo y en entornos exigentes. Esto convierte los sonicadores de Hielscher en herramientas de trabajo fiables que satisfacen los requisitos de sus procesos químicos.

Máxima calidad – Diseñados y fabricados en Alemania

Como empresa de propiedad y gestión familiar, Hielscher da prioridad a los máximos estándares de calidad para sus procesadores ultrasónicos. Todos los sonicadores se diseñan, fabrican y someten a pruebas exhaustivas en nuestra sede de Teltow, cerca de Berlín, Alemania. La robustez y la fiabilidad de los equipos ultrasónicos Hielscher los convierten en equipos de trabajo resistentes para su producción. El funcionamiento 24/7 a plena carga y en entornos exigentes es una característica propia de los mezcladores de alto rendimiento de Hielscher.
Los procesadores ultrasónicos industriales de Hielscher Ultrasonics pueden proporcionar amplitudes muy altas. Pueden funcionar fácilmente de forma continua con amplitudes de hasta 200 µm en régimen de 24/7. Para amplitudes aún mayores, se dispone de sonotrodos ultrasónicos personalizados.

La tabla siguiente ofrece una orientación sobre la capacidad aproximada de procesamiento de nuestros sonicadores: