Magnezijev hidrid nanometarske veličine za učinkovitu pohranu vodika

Sonikacija se primjenjuje na magnezijev hidrid kako bi se ubrzala njegova hidroliza i povećalo stvaranje vodika. Osim toga, ultrazvučno nanostrukturirani magnezijev hidrid, odnosno nanočestice MgH₂, pokazuje poboljšan kapacitet pohrane vodika.

Magnezijev hidrid za pohranu vodika

Magnezijev hidrid, MgH₂, privukao je veliku pozornost kao mogućnost za pohranu vodika. Njegove su glavne prednosti obilna dostupnost sirovine, visoka učinkovitost, mala masa, niska cijena i sigurnost. U usporedbi s drugim hidridima koji se mogu upotrebljavati za pohranu vodika, MgH₂ ima najveće gustoće pohrane vodika, do 7,6 wt %. Vodik se može pohraniti u Mg u obliku metalnih hidrida na bazi Mg. Proces sinteze MgH₂ poznat je kao disocijativna kemisorpcija. Uobičajena metoda proizvodnje metalnog hidrida na bazi Mg iz Mg i H2 jest njegovo nastajanje pri temperaturi od 300–400°C i tlaku vodika od 2,4–40 MPa. Jednadžba nastajanja glasi: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Toplinska obrada pri visokoj temperaturi uzrokuje znatne degradacijske učinke na hidride, poput rekristalizacije, segregacije faza, aglomeracije nanočestica itd. Nadalje, visoke temperature i tlakovi čine nastajanje MgH2 energetski zahtjevnim, složenim i stoga skupim.

Ultrazvučna hidroliza magnezijeva hidrida

Hiroi et al. (2011) pokazali su da sonikacija nanočestica i nanovlakana MgH₂ intenzivira reakciju hidrolize MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. U ovom su istraživanju nanovlakna MgH₂ pokazala maksimalni kapacitet pohrane vodika od 14,4 mass% pri sobnoj temperaturi. Osim toga, istraživači su pokazali da je kombinacija sonikacije i hidrolize MgH₂ znatno učinkovita za učinkovito stvaranje vodika bez zagrijavanja i dodavanja bilo kakvog kemijskog sredstva. Također su utvrdili da je niskofrekventni ultrazvuk najučinkovitija metoda za postizanje visoke stope pretvorbe. Stopa hidrolize pri niskofrekventnoj sonikaciji “dosegnula je čak 76% u smislu stupnja reakcije pri 7,2 ks i ultrazvučnoj frekvenciji od 28 kHz. Ta je vrijednost bila više od 15 puta veća od vrijednosti dobivene za nesonicirani uzorak, što upućuje na ekvivalentnu gustoću vodika od 11,6 mass% na temelju mase MgH₂.”
Rezultati su pokazali da ultrazvuk pospješuje reakciju hidrolize MgH₂ povećanjem konstante brzine reakcije uslijed stvaranja radikala te odljuštivanjem pasivnog sloja Mg(OH)₂ koji prekriva neizreagirani MgH₂ uslijed stvaranja velikih smičnih sila. (Hiroi et al. 2011)

Problem: spora hidroliza magnezijeva hidrida

Istraživano je pospješivanje hidrolize magnezijeva hidrida mljevenjem u kugličnom mlinu, obradom vrućom vodom ili kemijskim dodacima, no nije utvrđeno da se time znatno povećava stopa kemijske pretvorbe. Kad je riječ o dodavanju kemikalija, kemijski dodaci poput puferirajućih sredstava, kelatora i ionskih izmjenjivača, koji su pridonosili sprječavanju nastanka pasivirajućeg sloja Mg(OH)₂, stvarali su nečistoće u procesu cikliranja post-Mg.

Rješenje: ultrazvučno dispergiranje magnezijeva hidrida

Ultrazvučno dispergiranje i mokro mljevenje vrlo su učinkovita tehnika za proizvodnju čestica i kristala nanometarske veličine s vrlo uskom krivuljom raspodjele veličina. Ravnomjernim dispergiranjem magnezijeva hidrida u obliku čestica nanometarske veličine znatno se povećava aktivna površina. Nadalje, sonikacija uklanja pasivirajuće slojeve i povećava prijenos mase, čime se postižu veće stope kemijske pretvorbe. Ultrazvučno mljevenje, dispergiranje, deaglomeracija i čišćenje površine čestica nadmašuju druge tehnike mljevenja u učinkovitosti, pouzdanosti i jednostavnosti.

Ultrazvučno mokro mljevenje i dispergiranje vrlo su učinkovita metoda za smanjenje veličine čestica, primjerice magnezijeva hidrida

Nanostrukturirani magnezijev hidrid za poboljšanu pohranu vodika

Znanstveno je dokazano da je nanostrukturiranje magnezijevih hidrida učinkovita strategija koja omogućuje istodobno poboljšanje termodinamičkih i kinetičkih svojstava apsorpcije i desorpcije u MgH2. Strukture na osnovi magnezija nanometarskih dimenzija / nanostrukturirane strukture, poput nanočestica i nanovlakana MgH2, mogu se dodatno poboljšati smanjenjem veličine čestica i zrna, čime se smanjuje njihova entalpija stvaranja hidrida ΔH. Proračuni su pokazali da je reakcijska barijera za razgradnju MgH2 nanometarskih dimenzija znatno niža od one za masivni MgH2, što upućuje na to da je oblikovanje nanostrukture MgH2 termodinamički i kinetički povoljno za poboljšanje učinkovitosti. (usp. Ren et al., 2023)

Usporedba energetskih barijera za apsorpciju i desorpciju vodika u masivnom MgH₂ i nanostrukturiranom ultrafinom MgH₂.
(istraživanje i grafikon: ©Zhang et al., 2020)

Ultrazvučno smanjenje na nanometarske dimenzije i nanostrukturiranje magnezijeva hidrida

Ultrazvučno nanostrukturiranje vrlo je učinkovita tehnika koja omogućuje promjenu termodinamike magnezijeva hidrida bez utjecaja na kapacitet pohrane vodika. Ultrafine nanočestice MgH₂ pokazuju znatno poboljšan kapacitet desorpcije vodika. Smanjenje magnezijeva hidrida na nanometarske dimenzije način je znatnog snižavanja temperature apsorpcije i desorpcije vodika te povećanja brzine ponovne hidrogenacije i dehidrogenacije MgH₂ zahvaljujući uvođenju defekata, skraćivanju putova difuzije vodika, povećanju broja nukleacijskih mjesta i destabilizaciji veza Mg–H.
Jednostavna sonokemijska obrada pruža mogućnost stvaranja niskoenergetskih hidrida, osobito pri obradi čestica magnezija. Primjerice, Baidukova et al. (2026) pokazali su mogućnost stvaranja niskoenergetskih hidrida u poroznoj matrici magnezija i magnezijeva hidroksida sonokemijskom obradom čestica magnezija u vodenim suspenzijama.

Sonokemijski sintetiziran magnezijev hidrid nanometarskih dimenzija za učinkovitu pohranu vodika

Ultrazvučno pripremljene nanočestice magnezijeva hidrida postižu reverzibilnost pri temperaturi okoline uz reverzibilnu pohranu 6,7 wt% vodika
Upotreba hidrida lakih metala kao nosača za pohranu vodika obećavajući je pristup sigurnoj i učinkovitoj pohrani vodika. Jedan određeni metalni hidrid, magnezijev hidrid (MgH2), privukao je veliko zanimanje zbog visokog udjela vodika i obilne zastupljenosti magnezija u prirodi. Međutim, masivni MgH2 ima nedostatak da je stabilan te otpušta vodik samo pri vrlo visokim temperaturama iznad 300°C. To je nepraktično i neučinkovito za primjene povezane s pohranom vodika.
Zhang et al. (2020) istražili su mogućnost reverzibilne pohrane vodika pri temperaturi okoline stvaranjem ultrafinih nanočestica MgH₂. Primijenili su sonikaciju kako bi pokrenuli proces metateze, koji je zapravo proces dvostruke razgradnje. Sonikacija je primijenjena na suspenziju sastavljenu od tekućine i krutih tvari radi stvaranja nanočestica. Te su nanočestice uspješno proizvedene bez ikakvih dodatnih potpornih struktura, s veličinama pretežno oko 4–5 nm. Za te su nanočestice izmjerili reverzibilni kapacitet pohrane vodika od 6,7 wt% pri 30°C, što je značajno postignuće koje dotad nije bilo demonstrirano. To je omogućeno termodinamičkom destabilizacijom i smanjenim kinetičkim barijerama. Neobložene nanočestice također su pokazale stabilno i brzo cikličko vezanje i otpuštanje vodika tijekom 50 ciklusa pri 150°C, što je znatno poboljšanje u odnosu na masivni MgH₂. Ti nalazi predstavljaju sonikaciju kao potencijalnu obradu koja dovodi do veće učinkovitosti MgH₂ za pohranu vodika.
(usp. Zhang et al. 2020)

Raspodjela veličine čestica ultrafinog MgH₂ pripremljenog nakon sonikacije.
(istraživanje i grafikon: ©Zhang et al., 2020)

Visokoučinkoviti ultrazvučni uređaji za obradu magnezijeva hidrida

Sonokemija – primjena ultrazvuka velike snage na kemijske reakcije – pouzdana je tehnologija obrade koja olakšava i ubrzava sinteze, katalitičke reakcije i druge heterogene reakcije. Ponuda tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cijeli raspon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja do industrijskih sonokemijskih sustava za sve vrste kemijskih primjena, poput hidrolize magnezijeva hidrida i njegova nanomljevenja / nanostrukturiranja. To nam u tvrtki Hielscher omogućuje da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni uređaj za vaš planirani proces s MgH2. Naše osoblje s dugogodišnjim iskustvom pružit će vam podršku od ispitivanja izvedivosti i optimizacije procesa do ugradnje vašeg ultrazvučnog sustava na konačnoj proizvodnoj razini.
Male prostorne potrebe naših ultrazvučnih homogenizatora te njihove raznovrsne mogućnosti ugradnje omogućuju njihovo smještanje čak i u pogone za obradu s ograničenim prostorom. Ultrazvučni procesori ugrađeni su diljem svijeta u pogone fine kemijske industrije, petrokemijske industrije i proizvodnje nanomaterijala.

Šaržna obrada i obrada u liniji

Sonokemijska oprema Hielscher može se upotrebljavati za šaržnu i kontinuiranu protočnu obradu. Ultrazvučna šaržna obrada idealna je za ispitivanje procesa, optimizaciju te malu do srednju proizvodnju. Za proizvodnju velikih količina materijala obrada u liniji mogla bi biti povoljnija. Kontinuirani postupak miješanja u liniji zahtijeva složen sustav – koji se sastoji od pumpe, crijeva ili cijevi te spremnika – ali je vrlo učinkovit, brz i zahtijeva znatno manje rada. Hielscher Ultrasonics ima najprikladniji sonokemijski sustav za vašu reakciju sonosinteze, volumen obrade i ciljeve.

Ultrazvučne sonde i reaktori za hidrolizu MgH₂ u bilo kojem mjerilu

Asortiman tvrtke Hielscher Ultrasonics obuhvaća cijeli spektar ultrazvučnih procesora, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvučnih uređaja preko stolnih i pilot-sustava do potpuno industrijskih ultrazvučnih procesora s kapacitetom obrade kamionskih količina materijala na sat. Cjelovit asortiman omogućuje nam da vam ponudimo najprikladniji ultrazvučni homogenizator za vaš kapacitet obrade i proizvodne ciljeve.
Stolni ultrazvučni sustavi idealni su za ispitivanje izvedivosti i optimizaciju procesa. Linearno povećanje mjerila na temelju utvrđenih procesnih parametara omogućuje vrlo jednostavno povećanje kapaciteta obrade od manjih šarži do potpuno komercijalne proizvodnje. Mjerilo se može povećati ugradnjom snažnije ultrazvučne jedinice ili povezivanjem nekoliko ultrazvučnih uređaja u paralelnu skupinu. S uređajem UIP16000 Hielscher nudi najsnažniji ultrazvučni homogenizator na svijetu.

Precizno podesive amplitude za optimalne rezultate

Svim ultrazvučnim uređajima Hielscher može se precizno upravljati, zbog čega su pouzdani radni strojevi u proizvodnji. Amplituda je jedan od ključnih procesnih parametara koji utječu na učinkovitost i djelotvornost sonokemijskih reakcija Svi procesori Hielscher Ultrasonics omogućuju precizno podešavanje amplitude. Sonotrode i pojačivači amplitude dodatna su oprema koja omogućuje promjenu amplitude u još širem rasponu. Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher mogu postići vrlo visoke amplitude i pružiti potreban ultrazvučni intenzitet za zahtjevne primjene. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati pri kontinuiranom radu 24/7.
Precizno podešavanje amplitude i stalno praćenje parametara ultrazvučnog procesa putem pametnog softvera omogućuju vam obradu reagensa u najučinkovitijim ultrazvučnim uvjetima. Optimalna sonikacija za izvanrednu stopu kemijske pretvorbe!
Robusnost ultrazvučne opreme Hielscher omogućuje rad 24/7 pri velikim opterećenjima i u zahtjevnim okruženjima. Zbog toga su sonikatori Hielscher pouzdan radni alat koji ispunjava zahtjeve vašeg kemijskog procesa.

Najviša kvaliteta – projektirano i proizvedeno u Njemačkoj

Kao poduzeće u obiteljskom vlasništvu kojim upravlja obitelj, Hielscher daje prednost najvišim standardima kvalitete svojih ultrazvučnih procesora. Svi ultrazvučni uređaji projektiraju se, proizvode i temeljito ispituju u našem sjedištu u Teltowu pokraj Berlina u Njemačkoj. Robusnost i pouzdanost ultrazvučne opreme Hielscher čine je pouzdanim osloncem u vašoj proizvodnji. Rad 24/7 pod punim opterećenjem i u zahtjevnim okruženjima prirodna je značajka visokoučinkovitih miješalica Hielscher.
Industrijski ultrazvučni procesori Hielscher Ultrasonics mogu postići vrlo visoke amplitude. Amplitude do 200µm mogu se lako održavati neprekidno pri radu 24/7. Za još više amplitude dostupne su prilagođene ultrazvučne sonotrode.

Tablica u nastavku daje pregled približnih kapaciteta obrade naših ultrazvučnih uređaja: