Hydrure de magnésium nanométrique pour un stockage efficace de l'hydrogène

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

Hydrure de magnésium pour le stockage de l'hydrogène

Hydrure de magnésium, MgH₂L'utilisation de l'hydrogène est une option qui a suscité beaucoup d'intérêt pour le stockage de l'hydrogène. Ses principaux avantages sont l'abondance des ressources, les performances élevées, la légèreté, le faible coût et la sécurité. Par rapport à d'autres hydrures utilisables pour le stockage de l'hydrogène, le MgH₂ présente les densités de stockage d'hydrogène les plus élevées, jusqu'à 7,6 % en poids. L'hydrogène peut être stocké dans le Mg sous la 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 des hydrures métalliques à base de Mg à partir de Mg et de H2 est la formation à une température de 300-400°C et à une pression d'hydrogène de 2,4-40 MPa. L'équation de formation est la suivante Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Le traitement thermique élevé s'accompagne d'effets de dégradation significatifs des hydrures, tels que la recristallisation, la ségrégation de phase, l'agglomération de nanoparticules, etc. En outre, les températures et les pressions élevées rendent la formation de MgH2 énergivore, complexe et donc coûteuse.

Hydrolyse ultrasonique de l'hydrure de magnésium

Hiroi et al. (2011) ont démontré que la sonication des nanoparticules et des nanofibres de MgH2 intensifiait la réaction d’hydrolyse MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. Dans cette étude, les nanofibres de MgH2 ont montré une capacité maximale de stockage d’hydrogène de 14,4 % en masse à température ambiante. De plus, les chercheurs ont démontré qu’une combinaison de sonication et d’hydrolyse du MgH2 est considérablement efficace pour générer efficacement de l’hydrogène sans chauffer ni ajouter d’agent chimique. Ils ont également constaté que les ultrasons à basse fréquence étaient la méthode la plus efficace pour obtenir un taux de conversion élevé. Le taux d’hydrolyse à 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 la valeur obtenue dans le cas de l’échantillon non soniqué, indiquant une densité d’hydrogène équivalente de 11,6 % en masse sur la base du poids de MgH2.”
Les résultats ont révélé que les ultrasons renforcent la réaction d'hydrolyse de MgH2 en augmentant la constante de vitesse de la réaction en raison de la génération de radicaux et en exfoliant la couche passive de Mg(OH)2 sur le MgH2 non réagi en raison de la génération d'importantes forces de cisaillement. (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 n'a pas permis d'améliorer le taux de conversion chimique de manière significative. En ce qui concerne l'ajout de produits chimiques, les additifs chimiques, tels que les agents tampons, les chélateurs et les échangeurs d'ions, qui ont contribué à empêcher la formation d'une couche passivante de Mg(OH)2, ont produit des impuretés dans le processus de cyclage post-Mg.

Solution : Disperser l'hydrure de magnésium par ultrasons

La dispersion ultrasonique et le broyage humide sont des techniques très efficaces pour produire des particules et des cristaux de taille nanométrique avec une courbe de distribution très étroite. En dispersant uniformément l'hydrure de magnésium à l'échelle nanométrique, la surface active est considérablement élargie. En outre, 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 termes d'efficacité, de fiabilité et de simplicité.

Le broyage humide et la dispersion par ultrasons sont des méthodes très efficaces pour réduire la taille des particules, par exemple de l'hydrure de magnésium.

Hydrure de magnésium nanostructuré pour un meilleur stockage de l'hydrogène

La nanostructuration des hydrures de magnésium a été scientifiquement prouvée comme étant une stratégie efficace permettant d'améliorer simultanément les propriétés thermodynamiques et cinétiques d'ab/désorption du MgH2. Les structures nanométriques/nano-structurées 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, diminuant ainsi leur enthalpie de formation d'hydrure ΔH. Les calculs ont révélé que la barrière de réaction pour la décomposition du MgH2 nanométrique était remarquablement plus faible que celle du MgH2 en vrac, ce qui indique que l'ingénierie de la nanostructure 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 en vrac et du MgH2 ultrafin nanostructuré.(étude et graphique : ©Zhang et al., 2020)

Nanocomposition et nanostructuration par ultrasons de l'hydrure de magnésium

La nanostructuration par ultrasons est une technique très efficace qui permet de modifier la thermodynamique de l'hydrure de magnésium sans affecter la capacité de l'hydrogène. Les nanoparticules ultrafines de MgH2 présentent une capacité de désorption de l'hydrogène nettement améliorée. La nanostructuration de l'hydrure de magnésium permet de réduire considérablement la température d'ab-désorption de l'hydrogène et d'augmenter le taux 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 permet de former des hydrures de faible énergie, en particulier dans le cas du traitement des particules de magnésium. Par exemple, Baidukova et al. (2026) ont démontré la possibilité de former des hydrures de faible énergie dans une matrice poreuse d'hydroxyde de magnésium-magnésium au moyen d'un traitement sonochimique de particules de magnésium dans des suspensions aqueuses.

Nanohydrure de magnésium synthétisé par voie sonochimique pour un stockage efficace de l'hydrogène

Des nanoparticules d'hydrure de magnésium préparées par ultrasons permettent la réversibilité à température ambiante du stockage réversible de l'hydrogène à 6,7 % en poids
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 particulier, l'hydrure de magnésium (MgH2), a suscité un grand intérêt en raison de sa forte teneur en hydrogène et de l'abondance du magnésium dans la nature. Cependant, le MgH2 en vrac présente l'inconvénient d'être stable et de ne libérer de l'hydrogène qu'à des températures très élevées, supérieures à 300 °C. Il n'est donc pas pratique et inefficace pour la production d'hydrogène. Cela n'est pas 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 pour initier un processus de métathèse, qui est en fait un processus de double décomposition. La sonication a été appliquée à une boue composée de liquide et de solides dans le but de créer des nanoparticules. Ces nanoparticules, sans structures d'échafaudage supplémentaires, ont été produites avec succès avec des tailles prédominantes autour de 4-5 nm. Pour ces nanoparticules, l'équipe a mesuré une capacité de stockage d'hydrogène réversible de 6,7 % en poids à 30 °C, une performance significative qui n'avait jamais été démontrée auparavant. Cela a été rendu possible par une déstabilisation thermodynamique et des barrières cinétiques réduites. Les nanoparticules nues ont également présenté un comportement stable et rapide de cyclage de l'hydrogène pendant 50 cycles à 150°C, une amélioration notable par rapport au MgH2 en vrac. Ces résultats présentent la sonication comme un traitement potentiel conduisant à une plus grande efficacité du MgH2 pour le stockage de l'hydrogène.
(cf. Zhang et al. 2020)

Distribution de la taille des particules de MgH2 ultrafin préparé après sonication.(étude et graphique : ©Zhang et al., 2020)

Ultrasons haute performance pour le traitement de l'hydrure de magnésium

sonochimie – l'application des ultrasons de puissance aux réactions chimiques – est une technologie de traitement fiable qui facilite et accélère les synthèses, les réactions catalytiques et autres réactions hétérogènes. La gamme Hielscher Ultrasonics couvre l'ensemble du spectre, des ultrasons de laboratoire compacts aux systèmes sonochimiques industriels pour toutes sortes d'applications chimiques telles que l'hydrolyse de l'hydrure de magnésium et son nano-broyage? nano-structuration. Cela nous permet, chez Hielscher, de vous proposer l'ultrasoniseur le mieux adapté au procédé MgH2 que vous envisagez. Notre personnel expérimenté vous assistera depuis les tests de faisabilité et l'optimisation du processus 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 de faible espace. Les processeurs à ultrasons sont installés dans le monde entier dans des installations de chimie fine, de pétrochimie et de production de nanomatériaux.

par lots et en ligne

Les équipements sonochimiques Hielscher peuvent être utilisés pour le traitement par lots et en continu. Le traitement ultrasonique par lots est idéal pour les tests de processus, l'optimisation et la production de petites et moyennes quantités. Pour la production de gros volumes de matériaux, le traitement en ligne peut s'avérer plus avantageux. Un processus de mélange continu en ligne nécessite une installation sophistiquée. – Cette méthode, qui consiste en une pompe, des tuyaux ou des tubes et des réservoirs, est très efficace, rapide et nécessite beaucoup moins de travail. Hielscher Ultrasonics dispose de l'installation sonochimique la mieux adaptée à votre réaction de sono-synthèse, 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 Hielscher Ultrasonics couvre tout le spectre des processeurs à ultrasons, depuis les ultrasons de laboratoire compacts jusqu'aux processeurs à ultrasons industriels capables de traiter des camions à l'heure, en passant par les systèmes de paillasse et les systèmes 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 ultrasoniques de paillasse sont idéaux pour les essais de faisabilité et l'optimisation des procédés. La mise à l'échelle linéaire basée sur les paramètres de processus établis permet d'augmenter très facilement les capacités de traitement des petits lots jusqu'à la production commerciale complète. La mise à l'échelle peut se faire en installant une unité ultrasonique plus puissante ou en regroupant plusieurs unités ultrasoniques 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 appareils à ultrasons Hielscher sont contrôlables avec précision et constituent donc des outils de travail fiables pour la production. L'amplitude est l'un des paramètres cruciaux du processus qui influencent l'efficacité des réactions sonochimiques. Tous les processeurs Hielscher Ultrasonics permettent un réglage précis de l'amplitude. Les sonotrodes et les amplificateurs sont des accessoires qui permettent de modifier l'amplitude dans une plage encore plus large. Les processeurs ultrasoniques industriels Hielscher peuvent délivrer des amplitudes très élevées et fournir l'intensité ultrasonique requise pour des applications exigeantes. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7.
Des réglages précis de l'amplitude et la surveillance permanente des paramètres du processus ultrasonique via un logiciel intelligent vous permettent de traiter vos réactifs dans les conditions ultrasoniques les plus efficaces. Une sonication optimale pour un taux de conversion chimique exceptionnel !
La robustesse de l’équipement à ultrasons Hielscher permet un fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 dans des environnements lourds et exigeants. Cela fait de l’équipement à ultrasons de Hielscher un outil de travail fiable qui répond à vos exigences en matière de processus chimiques.

La plus haute qualité – Conçu et fabriqué en Allemagne

En tant qu’entreprise familiale, Hielscher privilégie les normes de qualité les plus élevées pour ses processeurs à ultrasons. Tous les ultrasonisateurs sont conçus, fabriqués et testés de manière approfondie dans notre siège social à Teltow, près de Berlin, en Allemagne. La robustesse et la fiabilité de l’équipement à ultrasons Hielscher en font un cheval de bataille dans votre production. Le fonctionnement 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7 à pleine charge et dans des environnements exigeants est une caractéristique naturelle des mélangeurs haute performance de Hielscher.
Les processeurs ultrasoniques industriels de Hielscher Ultrasonics peuvent fournir des amplitudes très élevées. Des amplitudes allant jusqu'à 200µm peuvent être facilement exploitées en continu, 24 heures sur 24 et 7 jours sur 7. Pour des amplitudes encore plus élevées, des sonotrodes ultrasoniques personnalisées sont disponibles.

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