Magnezijev hidrid nano veličine kao učinkovito skladište vodika

Sonikacija se primjenjuje na magnezijev hidrid kako bi se ubrzala hidroliza magnezijevog hidrida i poboljšala proizvodnja vodika. Dodatno, ultrazvučno nanostrukturirani magnezijev hidrid, tj. nanočestice MgH2, pokazuju poboljšani kapacitet skladištenja vodika.

Magnezijev hidrid za skladištenje vodika

Magnezijev hidrid, MgH₂, privukao je široku pozornost kao opcija za skladištenje vodika. Glavne prednosti su njegovi izdašni resursi, visoke performanse, mala težina, niska cijena i sigurnost. U usporedbi s drugim hidridima koji se mogu koristiti za skladištenje vodika, MgH₂ ima najveću gustoću skladištenja vodika s do 7,6 tež. %. Vodik se može pohraniti u Mg u obliku metalnih hidrida na bazi Mg. Proces sinteze MgH2 poznat je kao disocijativna kemisorpcija. Uobičajena metoda za proizvodnju metalnog hidrida na bazi Mg iz Mg i H2 je stvaranje na temperaturi od 300-400 °C i tlaku vodika od 2,4-40 MPa. Jednadžba formiranja je sljedeća: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Visoka toplinska obrada dolazi sa značajnim učincima degradacije hidrida, kao što je rekristalizacija, segregacija faza, aglomeracija nanočestica itd. Nadalje, visoke temperature i pritisci čine stvaranje MgH2 energetski intenzivnim, složenim i stoga skupim.

Ultrazvučna hidroliza magnezijevog hidrida

Hiroi et al. (2011) demonstrated that sonication of MgH2 nano-particles and nanofibres intensified the hydrolysis reaction MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. In this study, the MgH2 nanofibers exhibited the maximum hydrogen storage capacity of 14.4 mass% at room temperature. Additionally, the researchers demonstrated that a combination of sonication and MgH2 hydrolysis is considerably effective for efficiently generating hydrogen without heating and adding any chemical agent. They also found that low frequency ultrasound was the most efficient method in order to obtain a high conversion rate. The hydrolysis rate at low frequency sonication “reached as high as 76% in terms of the reaction degree at 7.2 ks at an ultrasonic frequency of 28 kHz. This value was more than 15 times the value obtained in the case of the non-sonicated sample, indicating an equivalent hydrogen density of 11.6 mass% on the basis of the weight of MgH2.”
Rezultati su otkrili da će ultrazvuk pojačati reakciju hidrolize MgH2 povećanjem konstante brzine reakcije zbog stvaranja radikala i ljuštenjem pasivnog sloja Mg(OH)2 preko neizreagiranog MgH2 zbog stvaranja velikih sila smicanja. (Hiroi i dr. 2011.)

Problem: Spora hidroliza magnezijevog hidrida

Istraženo je poticanje hidrolize magnezijevog hidrida mljevenjem s kuglicom, obradom vrućom vodom ili kemijskim dodacima, ali nije utvrđeno da značajno povećava stopu kemijske konverzije. Što se tiče dodavanja kemikalija, kemijski dodaci, kao što su sredstva za puferiranje, kelatori i ionski izmjenjivači, koji su pomogli spriječiti stvaranje pasivizirajućeg sloja Mg(OH)2, proizveli su nečistoće u post-Mg cikličkom procesu.

Rješenje: Ultrazvučno raspršivanje magnezijevog hidrida

Ultrazvučno raspršivanje i mokro mljevenje vrlo je učinkovita tehnika za proizvodnju čestica i kristala nano veličine s vrlo uskom krivuljom distribucije. Ravnomjernim raspršivanjem magnezijevog hidrida u nano veličini, aktivna površina postaje značajno povećana. Nadalje, sonikacija uklanja pasivizirajuće slojeve i povećava prijenos mase za superiorne stope kemijske konverzije. Ultrazvučno mljevenje, raspršivanje, deaglomeracija i čišćenje površine čestica nadmašuju druge tehnike mljevenja u učinkovitosti, pouzdanosti i jednostavnosti.

Ultrazvučno mokro mljevenje i dispergiranje vrlo je učinkovita metoda za smanjenje veličine čestica, npr. magnezijevog hidrida

Nanostrukturirani magnezijev hidrid kao poboljšano skladištenje vodika

Znanstveno je dokazano da su nanostrukturirani magnezijevi hidridi učinkovita strategija koja omogućuje istovremeno poboljšanje ab/desorpcijskih termodinamičkih i kinetičkih svojstava MgH2. Strukture nano veličine/nano strukturirane na bazi magnezija kao što su nanočestice i nanovlakna MgH2 mogu se dodatno poboljšati smanjenjem veličine čestica i zrna, čime se smanjuje njihova entalpija stvaranja hidrida ΔH. Izračuni su otkrili da je reakcijska barijera za razgradnju MgH2 nano veličine bila znatno niža nego kod rasutog MgH2, što ukazuje da je inženjering nanostrukture MgH2 termodinamički i kinetički povoljan za poboljšane performanse. (usp. Ren i sur., 2023.)

Usporedba energetskih barijera za apsorpciju i desorpciju vodika masovnog MgH2 i nanostrukturiranog ultrafinog MgH2.(studija i grafikon: ©Zhang et al., 2020.)

Ultrazvučno nanodimenzioniranje i nanostrukturiranje magnezijevog hidrida

Ultrazvučno nanostrukturiranje vrlo je učinkovita tehnika koja omogućuje promjenu termodinamike magnezijevog hidrida bez utjecaja na kapacitet vodika. Ultra-fine nanočestice MgH2 pokazuju značajno poboljšani kapacitet desorpcije vodika. Magnezijev hidrid nano veličine je način da se značajno smanji temperatura ab-/desorpcije vodika i poveća stopa re/dehidrogenacije MgH2, zbog uvođenja defekata, skraćivanja puteva difuzije vodika, povećanja mjesta nukleacije , i destabilizacija Mg-H veze.
Jednostavna sonokemijska obrada daje mogućnost stvaranja niskoenergetskih hidrida, posebice u slučaju obrade česticama magnezija. Na primjer, Baidukova et al. (2026) pokazali su mogućnost stvaranja niskoenergetskih hidrida u poroznoj matrici magnezij-magnezij hidroksid pomoću sonokemijske obrade čestica magnezija u vodenim suspenzijama.

Sonokemijski sintetiziran nano-magnezijev hidrid za učinkovito skladištenje vodika

Ultrazvučno pripremljene nanočestice magnezijevog hidrida postižu reverzibilnost na temperaturi okoline od 6,7 wt% reverzibilnog skladištenja vodika
Korištenje hidrida lakih metala kao nosača za skladištenje vodika obećavajući je pristup za sigurno i učinkovito skladištenje vodika. Jedan određeni metalni hidrid, magnezijev hidrid (MgH2), stekao je značajan interes zbog visokog sadržaja vodika i obilja magnezija u prirodi. Međutim, skupni MgH2 ima nedostatak jer je stabilan, otpuštajući vodik samo na vrlo visokim temperaturama od više od 300°C. Ovo je nepraktično i neučinkovito za aplikacije povezane sa skladištenjem vodika.
Zhang i sur. (2020) istraživali su mogućnost reverzibilnog skladištenja vodika na sobnoj temperaturi stvaranjem ultrafinih nanočestica MgH2. Koristili su sonikaciju kako bi pokrenuli proces metateze, koji je zapravo dvostruki proces razgradnje. Sonikacija je primijenjena na kašu koja se sastoji od tekućine i krutine sa svrhom stvaranja nanočestica. Ove nanočestice, bez ikakvih dodatnih struktura skele, uspješno su proizvedene s veličinama pretežno oko 4-5 nm. Za ove nanočestice, y je izmjerio reverzibilni kapacitet skladištenja vodika od 6,7 wt% na 30°C, što je značajno postignuće koje prije nije dokazano. To je omogućeno termodinamičkom destabilizacijom i smanjenim kinetičkim barijerama. Gole nanočestice također su pokazale stabilno i brzo kruženje vodika tijekom 50 ciklusa na 150°C, što je značajno poboljšanje u usporedbi s masovnim MgH2. Ovi nalazi pokazuju sonikaciju kao potencijalni tretman koji vodi do veće učinkovitosti MgH2 za skladištenje vodika.
(usp. Zhang et al. 2020.)

Ultrafini MgH2 raspodjela veličine čestica pripremljen nakon sonikacije.(studija i grafikon: ©Zhang et al., 2020.)

Ultrazvučni uređaji visokih performansi za tretman magnezijevim hidridom

Sonokemija – primjena snažnog ultrazvuka na kemijske reakcije – je pouzdana tehnologija obrade koja olakšava i ubrzava sinteze, katalitičke reakcije i druge heterogene reakcije. Hielscher Ultrasonics portfelj pokriva cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih sonokemijskih sustava za sve vrste kemijskih primjena kao što je hidroliza magnezijevog hidrida i njegovo nano-mljevenje/nano-strukturiranje. To nam u Hielscheru omogućuje da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš predviđeni proces MgH2. Naše dugogodišnje iskusno osoblje pomoći će vam od testova izvedivosti i optimizacije procesa do instalacije vašeg ultrazvučnog sustava na razini konačne proizvodnje.
Mali otisak naših ultrazvučnih homogenizatora, kao i njihova svestranost u mogućnostima ugradnje čine ih prikladnim čak i za procesne objekte malog prostora. Ultrazvučni procesori instalirani su diljem svijeta u finoj kemiji, petrokemiji i pogonima za proizvodnju nanomaterijala.

batch i inline

Hielscher sonokemijska oprema može se koristiti za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Ultrazvučna serijska obrada idealna je za testiranje procesa, optimizaciju i razinu proizvodnje male do srednje veličine. Za proizvodnju velikih količina materijala, inline obrada bi mogla biti povoljnija. Kontinuirani inline proces miješanja zahtijeva sofisticiranu postavku – sastoji se od pumpe, crijeva ili cijevi i spremnika -, ali je vrlo učinkovit, brz i zahtijeva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladnije sonokemijske postavke za vašu reakciju sono-sinteze, volumen obrade i ciljeve.

Ultrazvučne sonde i reaktori za hidrolizu MgH2 u bilo kojoj mjeri

Asortiman proizvoda Hielscher Ultrasonics pokriva cijeli spektar ultrazvučnih procesora od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilotskih sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade tereta kamiona po satu. Cijeli asortiman proizvoda omogućuje nam da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni homogenizator za vaš procesni kapacitet i proizvodne ciljeve.
Ultrazvučni stolni sustavi idealni su za ispitivanje izvedivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje temeljeno na utvrđenim procesnim parametrima omogućuje vrlo jednostavno povećanje kapaciteta obrade od manjih serija do potpuno komercijalne proizvodnje. Povećanje veličine može se izvršiti ili instaliranjem snažnije ultrazvučne jedinice ili grupiranjem nekoliko ultrazvučnih uređaja paralelno. S UIP16000, Hielscher nudi najmoćniji ultrazvučni homogenizator na svijetu.

Precizno kontrolirane amplitude za optimalne rezultate

Svi Hielscher ultrasonicators su precizno kontrolirani i stoga pouzdani radni konji u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost sonokemijskih reakcija Svi Hielscher Ultrasonics procesori omogućuju precizno postavljanje amplitude. Sonotrode i booster rogovi su dodaci koji omogućuju izmjenu amplitude u još širem rasponu. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher mogu isporučiti vrlo visoke amplitude i isporučiti potrebni ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7.
Precizne postavke amplitude i stalno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera daju vam mogućnost tretiranja vaših reaganata s najučinkovitijim ultrazvučnim uvjetima. Optimalna sonikacija za izvanrednu stopu kemijske konverzije!
The robustness of Hielscher ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments. This makes Hielscher’s ultrasonic equipment a reliable work tool that fulfils your chemical process requirements.

Najviša kvaliteta – Dizajnirano i proizvedeno u Njemačkoj

As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher’s high-performance mixers.
Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu isporučiti vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200 µm mogu se lako neprekidno izvoditi u radu 24/7. Za još veće amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.

Donja tablica daje vam naznaku približnog kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: