Hydrure de magnésium nanométrique comme moyen efficace de stockage de l’hydrogène

La sonication est appliquée à l’hydrure de magnésium afin d’accélérer l’hydrolyse de l’hydrure de magnésium et d’accroître la production d’hydrogène. En outre, l’hydrure de magnésium nanostructuré par ultrasons, c’est-à-dire les nanoparticules de MgH₂, présente une capacité de stockage de l’hydrogène améliorée.

L’hydrure de magnésium pour le stockage de l’hydrogène

L’hydrure de magnésium, MgH₂, a suscité une large attention en tant qu’option pour le stockage de l’hydrogène. Ses principaux avantages sont l’abondance de ses ressources, ses performances élevées, sa légèreté, son faible coût et sa sécurité. Par rapport aux autres hydrures utilisables pour le stockage de l’hydrogène, le MgH₂ présente les densités de stockage de l’hydrogène les plus élevées, atteignant jusqu’à 7,6 wt %. L’hydrogène peut être stocké dans le Mg sous forme d’hydrures métalliques à base de Mg. Le processus de synthèse du MgH₂ est connu sous le nom de chimisorption dissociative. Une méthode courante pour produire un hydrure métallique à base de Mg à partir de Mg et de H2 consiste en sa formation à une température de 300–400°C et sous une pression d’hydrogène de 2,4–40 MPa. L’équation de formation est la suivante : Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Ce traitement à haute température s’accompagne d’effets de dégradation importants des hydrures, tels que la recristallisation, la ségrégation de phases, l’agglomération des nanoparticules, etc. De plus, les températures et pressions élevées rendent la formation du MgH2 énergivore, complexe et donc coûteuse.

Hydrolyse ultrasonique de l’hydrure de magnésium

Hiroi et al. (2011) ont démontré que la sonication de nanoparticules et de nanofibres de MgH₂ intensifiait la réaction d’hydrolyse MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. Dans cette étude, les nanofibres de MgH₂ ont présenté la capacité maximale de stockage de l’hydrogène de 14,4 mass% à température ambiante. En outre, les chercheurs ont démontré que la combinaison de la sonication et de l’hydrolyse du MgH₂ est considérablement efficace pour générer efficacement de l’hydrogène sans chauffage ni ajout d’agent chimique. Ils ont également constaté que les ultrasons basse fréquence constituaient la méthode la plus efficace pour obtenir un taux de conversion élevé. Le taux d’hydrolyse sous sonication basse fréquence « a atteint jusqu’à 76% en termes de degré de réaction à 7,2 ks à une fréquence ultrasonore de 28 kHz. Cette valeur était plus de 15 fois supérieure à celle obtenue dans le cas de l’échantillon non soniqué, ce qui indique une densité d’hydrogène équivalente de 11,6 mass% sur la base du poids de MgH₂. »
Les résultats ont révélé que les ultrasons renforcent la réaction d’hydrolyse du MgH₂ en augmentant la constante de vitesse de réaction grâce à la génération de radicaux et en exfoliant la couche passive de Mg(OH)₂ recouvrant le MgH₂ n’ayant pas réagi grâce à la génération de forces de cisaillement importantes. (Hiroi et al. 2011)

Problème : hydrolyse lente de l’hydrure de magnésium

La promotion de l’hydrolyse de l’hydrure de magnésium par broyage à billes, traitement à l’eau chaude ou additifs chimiques a été étudiée, mais il n’a pas été constaté qu’elle augmentait de manière significative le taux de conversion chimique. Concernant l’ajout de produits chimiques, les additifs chimiques tels que les agents tampons, les chélateurs et les échangeurs d’ions, qui contribuaient à empêcher la formation d’une couche passivante de Mg(OH)₂, produisaient des impuretés dans le processus de cyclage post-Mg.

Solution : dispersion ultrasonique de l’hydrure de magnésium

La dispersion et le broyage humide par ultrasons constituent une technique très efficace pour produire des particules et des cristaux nanométriques présentant une courbe de distribution très étroite. En dispersant uniformément l’hydrure de magnésium à l’échelle nanométrique, on agrandit considérablement la surface active. De plus, la sonication élimine les couches passivantes et augmente le transfert de masse pour des taux de conversion chimique supérieurs. Le broyage, la dispersion, la désagglomération et le nettoyage de la surface des particules par ultrasons surpassent les autres techniques de broyage en efficacité, en fiabilité et en simplicité.

Le broyage humide et la dispersion par ultrasons sont une méthode très efficace de réduction de la taille des particules, par ex. de l’hydrure de magnésium

L’hydrure de magnésium nanostructuré pour un stockage amélioré de l’hydrogène

Il a été scientifiquement démontré que la nanostructuration des hydrures de magnésium est une stratégie efficace qui permet d’améliorer simultanément les propriétés thermodynamiques et cinétiques d’ab/désorption du MgH2. Les structures nanométriques / nanostructurées à base de magnésium, telles que les nanoparticules et les nanofibres de MgH2, peuvent être encore améliorées en réduisant la taille des particules et des grains, ce qui diminue leur enthalpie de formation d’hydrure ΔH. Des calculs ont révélé que la barrière de réaction pour la décomposition du MgH2 nanométrique était remarquablement plus basse que celle du MgH2 massif, ce qui indique que l’ingénierie nanostructurale du MgH2 est thermodynamiquement et cinétiquement favorable à l’amélioration des performances. (cf. Ren et al., 2023)

Comparaison des barrières énergétiques pour l’absorption et la désorption de l’hydrogène du MgH₂ massif et du MgH₂ ultrafin nanostructuré.
(étude et graphique : ©Zhang et al., 2020)

Nanodimensionnement et nanostructuration de l’hydrure de magnésium par ultrasons

La nanostructuration par ultrasons est une technique très efficace qui permet de modifier la thermodynamique de l’hydrure de magnésium sans affecter la capacité en hydrogène. Les nanoparticules ultrafines de MgH₂ présentent une capacité de désorption de l’hydrogène nettement améliorée. La réduction de l’hydrure de magnésium à l’échelle nanométrique permet de réduire considérablement la température d’ab-/désorption de l’hydrogène et d’augmenter la vitesse de ré/déshydrogénation du MgH₂, grâce à l’introduction de défauts, au raccourcissement des chemins de diffusion de l’hydrogène, à l’augmentation des sites de nucléation et à la déstabilisation de la liaison Mg–H.
Un simple traitement sonochimique offre la possibilité de former des hydrures à faible énergie, en particulier dans le cas du traitement de particules de magnésium. Par exemple, Baidukova et al. (2026) ont démontré la possibilité de former des hydrures à faible énergie dans une matrice poreuse magnésium-hydroxyde de magnésium au moyen du traitement sonochimique de particules de magnésium en suspensions aqueuses.

Hydrure de magnésium nanométrique synthétisé par voie sonochimique pour un stockage efficace de l’hydrogène

Des nanoparticules d’hydrure de magnésium préparées par ultrasons atteignent une réversibilité à température ambiante de 6,7 wt% de stockage réversible de l’hydrogène
L’utilisation d’hydrures de métaux légers comme vecteurs de stockage de l’hydrogène est une approche prometteuse pour un stockage sûr et efficace de l’hydrogène. Un hydrure métallique en particulier, l’hydrure de magnésium (MgH2), suscite un intérêt considérable en raison de sa teneur élevée en hydrogène et de l’abondance du magnésium dans la nature. Cependant, le MgH2 massif présente l’inconvénient d’être stable et de ne libérer l’hydrogène qu’à des températures très élevées, supérieures à 300°C. Cela est peu pratique et inefficace pour les applications liées au stockage de l’hydrogène.
Zhang et al. (2020) ont étudié la possibilité d’un stockage réversible de l’hydrogène à température ambiante en créant des nanoparticules ultrafines de MgH₂. Ils ont utilisé la sonication afin d’amorcer un processus de métathèse, qui est en fait un processus de double décomposition. La sonication a été appliquée à une suspension composée de liquide et de solides dans le but de créer des nanoparticules. Ces nanoparticules, sans aucune structure de support supplémentaire, ont été produites avec succès avec des tailles principalement d’environ 4–5 nm. Pour ces nanoparticules, ils ont mesuré une capacité de stockage réversible de l’hydrogène de 6,7 wt% à 30°C, une réussite importante qui n’avait jamais été démontrée auparavant. Cela a été rendu possible par la déstabilisation thermodynamique et la réduction des barrières cinétiques. Les nanoparticules nues ont également présenté un comportement de cyclage de l’hydrogène stable et rapide pendant 50 cycles à 150°C, une amélioration notable par rapport au MgH₂ massif. Ces résultats présentent la sonication comme un traitement potentiel conduisant à une efficacité accrue du MgH₂ pour le stockage de l’hydrogène.
(cf. Zhang et al. 2020)

Distribution granulométrique du MgH₂ ultrafin préparé après sonication.
(étude et graphique : ©Zhang et al., 2020)

Ultrasonicateurs haute performance pour le traitement de l’hydrure de magnésium

La sonochimie – l’application d’ultrasons de puissance aux réactions chimiques – est une technologie de traitement fiable qui facilite et accélère les synthèses, les réactions catalytiques et d’autres réactions hétérogènes. Le portefeuille de Hielscher Ultrasonics couvre toute la gamme, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux systèmes sonochimiques industriels, pour tous types d’applications chimiques telles que l’hydrolyse de l’hydrure de magnésium et son nanobroyage / sa nanostructuration. Cela nous permet, chez Hielscher, de vous proposer l’ultrasonicateur le mieux adapté au procédé MgH2 que vous envisagez. Notre personnel, fort d’une longue expérience, vous accompagnera des tests de faisabilité et de l’optimisation du procédé jusqu’à l’installation de votre système à ultrasons au niveau de la production finale.
Le faible encombrement de nos homogénéisateurs à ultrasons ainsi que la polyvalence de leurs options d’installation leur permettent de s’intégrer même dans des installations de traitement exiguës. Les processeurs à ultrasons sont installés dans le monde entier dans des installations de chimie fine, de pétrochimie et de production de nanomatériaux.

Traitement par lots et en ligne

Les équipements sonochimiques Hielscher peuvent être utilisés pour le traitement par lots et le traitement continu en flux. Le traitement par lots aux ultrasons est idéal pour les essais de procédé, l’optimisation et la production à petite et moyenne échelle. Pour produire de grands volumes de matériaux, le traitement en ligne peut s’avérer plus avantageux. Un procédé de mélange en ligne continu nécessite une installation élaborée – composée d’une pompe, de tuyaux ou de conduites et de réservoirs –, mais il est très efficace, rapide et nécessite beaucoup moins de main-d’œuvre. Hielscher Ultrasonics dispose de l’installation sonochimique la mieux adaptée à votre réaction de sonosynthèse, à votre volume de traitement et à vos objectifs.

Sondes et réacteurs à ultrasons pour l’hydrolyse du MgH₂ à toutes les échelles

La gamme de produits de Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, des ultrasonicateurs de laboratoire compacts aux processeurs à ultrasons entièrement industriels capables de traiter des camions entiers par heure, en passant par les systèmes de paillasse et pilotes. La gamme complète de produits nous permet de vous proposer l’homogénéisateur à ultrasons le mieux adapté à votre capacité de traitement et à vos objectifs de production.
Les systèmes à ultrasons de paillasse sont idéaux pour les tests de faisabilité et l’optimisation des procédés. La mise à l’échelle linéaire basée sur des paramètres de procédé établis permet d’augmenter très facilement les capacités de traitement, des petits lots jusqu’à la production entièrement commerciale. La mise à l’échelle peut être réalisée soit en installant une unité à ultrasons plus puissante, soit en regroupant plusieurs ultrasonicateurs en parallèle. Avec l’UIP16000, Hielscher propose l’homogénéisateur à ultrasons le plus puissant au monde.

Amplitudes contrôlables avec précision pour des résultats optimaux

Tous les ultrasonicateurs Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent ainsi des bêtes de somme fiables en production. L’amplitude est l’un des paramètres de procédé cruciaux qui influencent l’efficience et l’efficacité des réactions sonochimiques Tous les processeurs Hielscher Ultrasonics permettent un réglage précis de l’amplitude. Les sonotrodes et les cornes booster sont des accessoires qui permettent de modifier l’amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs à ultrasons industriels Hielscher peuvent fournir des amplitudes très élevées ainsi que l’intensité ultrasonore requise pour les applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en fonctionnement continu 24/7.
Le réglage précis de l’amplitude et la surveillance permanente des paramètres du procédé ultrasonique via un logiciel intelligent vous donnent la possibilité de traiter vos réactifs dans les conditions ultrasonores les plus efficaces. Une sonication optimale pour un taux de conversion chimique exceptionnel !
La robustesse des équipements à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24/7 en service intensif et dans des environnements exigeants. Cela fait des sonicateurs Hielscher un outil de travail fiable qui répond aux exigences de vos procédés chimiques.

Qualité supérieure – conçue et fabriquée en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale, détenue et dirigée par la famille, Hielscher accorde la priorité aux normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonicateurs sont conçus, fabriqués et minutieusement testés dans notre siège social à Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité des équipements à ultrasons Hielscher en font une bête de somme dans votre production. Le fonctionnement 24/7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance de Hielscher.
Les processeurs à ultrasons industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu’à 200µm peuvent facilement être maintenues en fonctionnement continu 24/7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes à ultrasons personnalisées sont disponibles.

Le tableau ci-dessous vous donne une indication de la capacité de traitement approximative de nos ultrasonicateurs :