Magnesium Hidrida Berukuran Nano sebagai Penyimpanan Hidrogen yang Efisien

Sonikasi diterapkan pada magnesium hidrida untuk mempercepat hidrolisis magnesium hidrida untuk meningkatkan pembangkitan hidrogen. Selain itu, magnesium hidrida berstruktur nano ultrasonik, yaitu nanopartikel MgH2, menunjukkan peningkatan kapasitas penyimpanan hidrogen.

Magnesium Hidrida untuk Penyimpanan Hidrogen

Magnesium hidrida, MgH₂, telah menarik perhatian luas sebagai opsi untuk penyimpanan hidrogen. Manfaat utama adalah sumber dayanya yang melimpah, kinerja tinggi, ringan, biaya rendah, dan keamanan. Dibandingkan dengan hidrida lain yang dapat digunakan untuk penyimpanan hidrogen, MgH₂ memiliki kepadatan penyimpanan hidrogen tertinggi hingga 7,6 wt %. Hidrogen dapat disimpan dalam Mg dalam bentuk hidrida logam berbasis Mg. Proses sintesis MgH2 dikenal sebagai chemisorption disosiatif. Metode umum untuk menghasilkan hidrida logam berbasis Mg dari Mg dan H2, adalah pembentukan pada suhu 300–400°C dan tekanan hidrogen 2,4–40 MPa. Persamaan formasi adalah sebagai berikut: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Perlakuan panas yang tinggi datang dengan efek degradasi hidrida yang signifikan, seperti rekristalisasi, segregasi fase, aglomerasi nanopartikel dll. Selain itu, suhu dan tekanan tinggi membuat pembentukan MgH2 intensif energi, kompleks dan dengan demikian mahal.

Hidrolisis Ultrasonik Magnesium Hidrida

Hiroi et al. (2011) menunjukkan bahwa sonikasi nano-partikel MgH2 dan serat nano mengintensifkan reaksi hidrolisis MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. Dalam penelitian ini, serat nano MgH2 menunjukkan kapasitas penyimpanan hidrogen maksimum 14,4% massa pada suhu kamar. Selain itu, para peneliti menunjukkan bahwa kombinasi sonikasi dan hidrolisis MgH2 sangat efektif untuk menghasilkan hidrogen secara efisien tanpa memanaskan dan menambahkan bahan kimia apa pun. Mereka juga menemukan bahwa ultrasound frekuensi rendah adalah metode yang paling efisien untuk mendapatkan tingkat konversi yang tinggi. Laju hidrolisis pada sonikasi frekuensi rendah "mencapai setinggi 76% dalam hal derajat reaksi pada 7,2 ks pada frekuensi ultrasonik 28 kHz. Nilai ini lebih dari 15 kali nilai yang diperoleh dalam kasus sampel non-sonikasi, menunjukkan kerapatan hidrogen setara 11,6% massa berdasarkan berat MgH2.
Hasil penelitian mengungkapkan bahwa ultrasound akan meningkatkan reaksi hidrolisis MgH2 dengan meningkatkan laju reaksi konstanta karena pembangkitan radikal dan pengelupasan lapisan pasif Mg(OH)2 di atas MgH2 yang tidak bereaksi karena pembangkitan gaya geser yang besar. (Hiroi et al. 2011)

Masalah: Hidrolisis Magnesium Hidrida yang Lambat

Promosi hidrolisis magnesium hidrida melalui penggilingan bola, pengolahan air panas atau aditif kimia telah diselidiki, tetapi tidak ditemukan untuk meningkatkan tingkat konversi kimia secara signifikan. Mengenai penambahan bahan kimia, aditif kimia, seperti zat penyangga, khelator, dan penukar ion, yang membantu mencegah pembentukan lapisan Mg(OH)2 yang pasif, menghasilkan kotoran dalam proses siklus pasca-Mg.

Solusi: Penyebaran Ultrasonik Magnesium Hidrida

Dispersi ultrasonik dan penggilingan basah adalah teknik yang sangat efisien untuk menghasilkan partikel dan kristal berukuran nano dengan kurva distribusi yang sangat sempit. Dengan menyebarkan magnesium hidrida secara merata dalam ukuran nano, luas permukaan aktif menjadi diperbesar secara signifikan. Selanjutnya, sonikasi menghilangkan lapisan pasif dan meningkatkan perpindahan massa untuk tingkat konversi kimia yang unggul. Penggilingan ultrasonik, pendispersi, deaglomerasi, dan pembersihan permukaan partikel unggul dari teknik penggilingan lainnya dalam efisiensi, keandalan, dan kesederhanaan.

Penggilingan dan pendispersian basah ultrasonik adalah metode yang sangat efisien untuk pengurangan ukuran partikel, misalnya magnesium hidrida

Magnesium Hidrida Berstruktur Nano sebagai Penyimpanan Hidrogen yang Lebih Baik

Magnesium hidrida penataan nano telah terbukti secara ilmiah sebagai strategi efektif yang memungkinkan untuk secara bersamaan meningkatkan sifat termodinamika dan kinetik ab/de-sorbi MgH2. Struktur berbasis magnesium berukuran nano / berstruktur nano seperti nanopartikel MgH2 dan serat nano dapat ditingkatkan lebih lanjut dengan mengurangi partikel dan ukuran butir, sehingga mengurangi pembentukan hidrida entalpi ΔH. Perhitungan mengungkapkan penghalang reaksi untuk dekomposisi MgH2 berukuran nano jauh lebih rendah daripada MgH2 curah, menunjukkan bahwa rekayasa struktur nano MgH2 secara termodinamika dan kinetik menguntungkan untuk peningkatan kinerja. (lih. Ren et al., 2023)

Perbandingan hambatan energi untuk penyerapan hidrogen dan desorpsi MgH2 curah dan MgH2 ultrafine berstruktur nano.
(studi dan grafik: ©Zhang et al., 2020)

Nanosizing Ultrasonik dan Nanostrukturisasi Magnesium Hidrida

Penataan nano ultrasonik adalah teknik yang sangat efektif yang memungkinkan untuk mengubah termodinamika magnesium hidrida tanpa mempengaruhi kapasitas hidrogen. Nanopartikel MgH2 ultra-halus menunjukkan kapasitas desorpsi hidrogen yang meningkat secara signifikan. Magnesium hidrida ukuran nano adalah cara untuk secara signifikan mengurangi suhu ab-/de-sorpsi hidrogen dan meningkatkan laju re/de-hidrogenasi MgH2, karena masuknya cacat, pemendekan jalur difusi hidrogen, peningkatan situs nukleasi, dan destabilisasi ikatan Mg-H.
Perlakuan sonokimia sederhana memberikan kemungkinan pembentukan hidrida berenergi rendah, khususnya, dalam kasus perlakuan partikel magnesium. Misalnya, Baidukova et al. (2026) menunjukkan kemungkinan untuk membentuk hidrida berenergi rendah dalam matriks magnesium-magnesium hidroksida berpori melalui perlakuan sonokimia partikel magnesium dalam suspensi berair.

Nano-magnesium hidrida yang disintesis secara sonokimia untuk penyimpanan hidrogen yang efisien

Nanopartikel magnesium hidrida yang disiapkan secara ultrasonik mencapai reversibilitas suhu sekitar 6,7% wt% penyimpanan hidrogen yang dapat dibalik
Menggunakan hidrida logam ringan sebagai pembawa untuk penyimpanan hidrogen adalah pendekatan yang menjanjikan untuk penyimpanan hidrogen yang aman dan efisien. Salah satu hidrida logam tertentu, magnesium hidrida (MgH2), telah mendapatkan minat yang signifikan karena kandungan hidrogennya yang tinggi dan kelimpahan magnesium di alam. Namun, MgH2 curah memiliki kelemahan karena stabil, hanya melepaskan hidrogen pada suhu yang sangat tinggi lebih dari 300°C. Ini tidak praktis dan tidak efisien untuk aplikasi terkait penyimpanan hidrogen.
Zhang et al. (2020) menyelidiki kemungkinan penyimpanan hidrogen reversibel pada suhu sekitar dengan menciptakan nanopartikel ultrahalus MgH2. Mereka menggunakan sonikasi untuk memulai proses metatesis, yang secara efektif merupakan proses dekomposisi ganda. Sonikasi diterapkan pada bubur yang terdiri dari cairan dan padatan dengan tujuan untuk membuat nanopartikel. Nanopartikel ini, tanpa struktur perancah tambahan, berhasil diproduksi dengan ukuran terutama sekitar 4-5 nm. Untuk nanopartikel ini, y mengukur kapasitas penyimpanan hidrogen reversibel sebesar 6,7% wt% pada 30°C , pencapaian signifikan yang belum pernah ditunjukkan sebelumnya. Hal ini dimungkinkan oleh destabilisasi termodinamika dan pengurangan hambatan kinetik. Nanopartikel telanjang juga menunjukkan perilaku siklus hidrogen yang stabil dan cepat selama 50 siklus pada suhu 150°C, peningkatan yang signifikan dibandingkan dengan MgH2 curah. Temuan ini menyajikan sonikasi sebagai pengobatan potensial yang mengarah pada efisiensi MgH2 yang lebih tinggi untuk penyimpanan hidrogen.
(lih. Zhang et al. 2020)

Distribusi ukuran partikel MgH2 ultrafine disiapkan setelah sonikasi.
(studi dan grafik: ©Zhang et al., 2020)

Ultrasonicators Kinerja Tinggi untuk Perawatan Magnesium Hidrida

Sonochemistry – Penerapan USG Daya untuk Reaksi Kimia – adalah teknologi pemrosesan yang andal, yang memfasilitasi dan mempercepat sintesis, reaksi katalitik, dan reaksi hetergeneous lainnya. Portofolio Hielscher Ultrasonics mencakup berbagai macam mulai dari ultrasonicators laboratorium kompak hingga sistem sonokimia industri untuk semua jenis aplikasi kimia seperti hidrolisis magnesium hidrida dan nano-milling / nano-structuring-nya. Ini memungkinkan kami di Hielscher untuk menawarkan ultrasonicator yang paling cocok untuk proses MgH2 yang Anda bayangkan. Staf kami yang berpengalaman lama akan membantu Anda mulai dari uji kelayakan dan optimalisasi proses hingga pemasangan sistem ultrasonik Anda pada tingkat produksi akhir.
Jejak kaki kecil dari homogenizer ultrasonik kami serta keserbagunaannya dalam opsi pemasangan membuatnya cocok bahkan ke dalam fasilitas pemrosesan ruang kecil. Prosesor ultrasonik dipasang di seluruh dunia di fasilitas produksi kimia halus, petro-kimia, dan nano-material.

batch dan inline

Perlengkapan sonokimia Hielscher dapat digunakan untuk pemrosesan aliran melalui batch dan kontinu. Pemrosesan batch ultrasonik sangat ideal untuk pengujian proses, pengoptimalan, dan tingkat produksi ukuran kecil hingga menengah. Untuk memproduksi bahan dalam jumlah besar, pemrosesan inline mungkin lebih menguntungkan. Proses pencampuran inline yang berkelanjutan membutuhkan pengaturan yang canggih – terdiri dari pompa, selang atau pipa dan tangki -, tetapi sangat efisien, cepat dan membutuhkan tenaga kerja yang jauh lebih sedikit. Hielscher Ultrasonics memiliki pengaturan sonokimia yang paling cocok untuk reaksi sintesis sono, volume pemrosesan, dan tujuan Anda.

Probe dan Reaktor Ultrasonik untuk Hidrolisis MgH2 pada Skala Apa Pun

Rangkaian produk Hielscher Ultrasonics mencakup spektrum penuh prosesor ultrasonik dari ultrasonicator lab kompak melalui sistem bench-top dan pilot hingga prosesor ultrasonik industri penuh dengan kapasitas untuk memproses muatan truk per jam. Rangkaian produk lengkap memungkinkan kami untuk menawarkan homogenizer ultrasonik yang paling cocok untuk kapasitas proses dan target produksi Anda.
Sistem benchtop ultrasonik ideal untuk pengujian kelayakan dan pengoptimalan proses. Peningkatan skala linier berdasarkan parameter proses yang ditetapkan membuatnya sangat mudah untuk meningkatkan kapasitas pemrosesan dari lot yang lebih kecil ke produksi komersial sepenuhnya. Peningkatan skala dapat dilakukan dengan memasang unit ultrasonik yang lebih kuat atau mengelompokkan beberapa ultrasonicator secara paralel. Dengan UIP16000, Hielscher menawarkan homogenizer ultrasonik paling kuat di seluruh dunia.

Amplitudo yang dapat dikontrol secara tepat untuk hasil yang optimal

Semua ultrasonicator Hielscher dapat dikontrol dengan tepat dan dengan demikian kuda kerja yang andal dalam produksi. Amplitudo adalah salah satu parameter proses penting yang mempengaruhi efisiensi dan efektivitas reaksi sonokimia Semua prosesor Hielscher Ultrasonics memungkinkan pengaturan amplitudo yang tepat. Sonotrodes dan klakson booster adalah aksesori yang memungkinkan untuk memodifikasi amplitudo dalam jangkauan yang lebih luas. Prosesor ultrasonik industri Hielscher dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi dan memberikan intensitas ultrasonik yang diperlukan untuk aplikasi yang menuntut. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7.
Pengaturan amplitudo yang tepat dan pemantauan permanen parameter proses ultrasonik melalui perangkat lunak pintar memberi Anda kemungkinan untuk merawat reagan Anda dengan kondisi ultrasonik yang paling efektif. Sonikasi optimal untuk tingkat konversi kimia yang luar biasa!
Kekokohan peralatan ultrasonik Hielscher memungkinkan pengoperasian 24/7 pada tugas berat dan di lingkungan yang menuntut. Hal ini menjadikan peralatan ultrasonik Hielscher sebagai alat kerja yang andal yang memenuhi persyaratan proses kimia Anda.

Kualitas Tertinggi – Dirancang dan Diproduksi di Jerman

Sebagai bisnis milik keluarga dan dikelola keluarga, Hielscher memprioritaskan standar kualitas tertinggi untuk prosesor ultrasoniknya. Semua ultrasonicator dirancang, diproduksi dan diuji secara menyeluruh di kantor pusat kami di Teltow dekat Berlin, Jerman. Kekokohan dan keandalan peralatan ultrasonik Hielscher menjadikannya kuda kerja dalam produksi Anda. Operasi 24/7 di bawah beban penuh dan di lingkungan yang menuntut adalah karakteristik alami dari mixer berkinerja tinggi Hielscher.
Prosesor ultrasonik industri Hielscher Ultrasonics dapat memberikan amplitudo yang sangat tinggi. Amplitudo hingga 200μm dapat dengan mudah dijalankan terus menerus dalam operasi 24/7. Untuk amplitudo yang lebih tinggi, sonotrode ultrasonik yang disesuaikan tersedia.

Tabel di bawah ini memberi Anda indikasi perkiraan kapasitas pemrosesan ultrasonikator kami: