Idruro di magnesio nanometrico per un efficiente stoccaggio dell’idrogeno

La sonicazione viene applicata all’idruro di magnesio per accelerarne l’idrolisi e aumentare la produzione di idrogeno. Inoltre, l’idruro di magnesio nanostrutturato mediante ultrasuoni, ossia le nanoparticelle di MgH₂, presenta una migliore capacità di stoccaggio dell’idrogeno.

Idruro di magnesio per lo stoccaggio dell’idrogeno

L’idruro di magnesio, MgH₂, ha suscitato ampio interesse come opzione per lo stoccaggio dell’idrogeno. I principali vantaggi sono l’abbondanza della risorsa, le prestazioni elevate, il peso ridotto, il basso costo e la sicurezza. Rispetto agli altri idruri utilizzabili per lo stoccaggio dell’idrogeno, MgH₂ presenta le densità di stoccaggio dell’idrogeno più elevate, fino al 7,6 wt %. L’idrogeno può essere immagazzinato nel Mg sotto forma di idruri metallici a base di Mg. Il processo di sintesi di MgH₂ è noto come chemisorbimento dissociativo. Un metodo comune per produrre idruro metallico a base di Mg a partire da Mg e H2 consiste nella formazione a una temperatura di 300–400°C e a una pressione dell’idrogeno di 2,4–40 MPa. L’equazione di formazione è la seguente: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Il trattamento termico ad alta temperatura comporta effetti significativi di degradazione degli idruri, quali ricristallizzazione, segregazione delle fasi, agglomerazione delle nanoparticelle, ecc. Inoltre, temperature e pressioni elevate rendono la formazione di MgH2 energivora, complessa e quindi costosa.

Idrolisi a ultrasuoni dell’idruro di magnesio

Hiroi et al. (2011) hanno dimostrato che la sonicazione delle nanoparticelle e delle nanofibre di MgH₂ intensificava la reazione di idrolisi MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. In questo studio, le nanofibre di MgH₂ hanno mostrato una capacità massima di stoccaggio dell’idrogeno pari al 14,4 mass% a temperatura ambiente. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che la combinazione di sonicazione e idrolisi di MgH₂ è particolarmente efficace per produrre idrogeno in modo efficiente senza riscaldamento né aggiunta di agenti chimici. Hanno anche riscontrato che gli ultrasuoni a bassa frequenza erano il metodo più efficiente per ottenere un elevato grado di conversione. Con la sonicazione a bassa frequenza, il grado di idrolisi «ha raggiunto il 76% in termini di grado di reazione a 7,2 ks, a una frequenza ultrasonica di 28 kHz. Questo valore era oltre 15 volte quello ottenuto con il campione non sottoposto a sonicazione, indicando una densità equivalente di idrogeno dell’11,6 mass% sulla base del peso di MgH₂».
I risultati hanno rivelato che gli ultrasuoni favoriscono la reazione di idrolisi di MgH₂ aumentando la costante di velocità della reazione grazie alla generazione di radicali ed esfoliando lo strato passivante di Mg(OH)₂ sul MgH₂ non reagito grazie alla generazione di intense forze di taglio. (Hiroi et al. 2011)

Problema: idrolisi lenta dell’idruro di magnesio

È stata studiata la promozione dell’idrolisi dell’idruro di magnesio mediante macinazione a sfere, trattamento con acqua calda o additivi chimici, ma non è stato riscontrato un aumento significativo del grado di conversione chimica. Per quanto riguarda l’aggiunta di sostanze chimiche, additivi quali agenti tampone, chelanti e scambiatori ionici, che contribuivano a prevenire la formazione di uno strato passivante di Mg(OH)₂, producevano impurità nel processo di ciclaggio post-Mg.

Soluzione: dispersione a ultrasuoni dell’idruro di magnesio

La dispersione e la macinazione a umido mediante ultrasuoni sono una tecnica altamente efficiente per produrre particelle e cristalli di dimensioni nanometriche con una curva di distribuzione molto stretta. Disperdendo uniformemente l’idruro di magnesio in dimensioni nanometriche, la superficie attiva aumenta significativamente. Inoltre, la sonicazione rimuove gli strati passivanti e aumenta il trasferimento di massa, consentendo gradi di conversione chimica superiori. La macinazione, la dispersione, la deagglomerazione e la pulizia della superficie delle particelle mediante ultrasuoni superano le altre tecniche di macinazione in termini di efficienza, affidabilità e semplicità.

La macinazione a umido e la dispersione mediante ultrasuoni sono un metodo altamente efficiente per ridurre le dimensioni delle particelle, ad esempio dell’idruro di magnesio

Idruro di magnesio nanostrutturato per un migliore stoccaggio dell’idrogeno

È stato dimostrato scientificamente che la nanostrutturazione degli idruri di magnesio è una strategia efficace che consente di migliorare contemporaneamente le proprietà termodinamiche e cinetiche di assorbimento e desorbimento di MgH2. Le strutture a base di magnesio di dimensioni nanometriche / nanostrutturate, come le nanoparticelle e le nanofibre di MgH2, possono essere ulteriormente migliorate riducendo le dimensioni delle particelle e dei grani, diminuendo così la loro entalpia di formazione dell’idruro ΔH. I calcoli hanno rivelato che la barriera di reazione per la decomposizione di MgH2 nanometrico era notevolmente inferiore a quella di MgH2 massivo, indicando che l’ingegnerizzazione della nanostruttura di MgH2 è favorevole, dal punto di vista termodinamico e cinetico, al miglioramento delle prestazioni. (cfr. Ren et al., 2023)

Confronto delle barriere energetiche per l’assorbimento e il desorbimento dell’idrogeno di MgH₂ massivo e di MgH₂ ultrafine nanostrutturato.
(studio e grafico: ©Zhang et al., 2020)

Riduzione a dimensioni nanometriche e nanostrutturazione dell’idruro di magnesio mediante ultrasuoni

La nanostrutturazione mediante ultrasuoni è una tecnica altamente efficace che consente di modificare la termodinamica dell’idruro di magnesio senza influire sulla capacità di stoccaggio dell’idrogeno. Le nanoparticelle ultrafini di MgH₂ presentano una capacità di desorbimento dell’idrogeno significativamente migliorata. La riduzione dell’idruro di magnesio a dimensioni nanometriche permette di ridurre significativamente la temperatura di assorbimento e desorbimento dell’idrogeno e di aumentare la velocità di reidrogenazione e deidrogenazione di MgH₂, grazie all’introduzione di difetti, all’accorciamento dei percorsi di diffusione dell’idrogeno, all’aumento dei siti di nucleazione e alla destabilizzazione dei legami Mg–H.
Un semplice trattamento sonochimico offre la possibilità di formare idruri a bassa energia, in particolare nel caso del trattamento di particelle di magnesio. Ad esempio, Baidukova et al. (2026) hanno dimostrato la possibilità di formare idruri a bassa energia in una matrice porosa di magnesio e idrossido di magnesio mediante il trattamento sonochimico di particelle di magnesio in sospensioni acquose.

Idruro di magnesio nanometrico sintetizzato per via sonochimica per un efficiente stoccaggio dell’idrogeno

Le nanoparticelle di idruro di magnesio preparate mediante ultrasuoni consentono uno stoccaggio reversibile dell’idrogeno pari al 6,7 wt% a temperatura ambiente
L’impiego di idruri di metalli leggeri come vettori per lo stoccaggio dell’idrogeno è un approccio promettente per immagazzinare idrogeno in modo sicuro ed efficiente. Un particolare idruro metallico, l’idruro di magnesio (MgH2), ha suscitato notevole interesse grazie al suo elevato contenuto di idrogeno e all’abbondanza del magnesio in natura. Tuttavia, MgH2 massivo presenta lo svantaggio di essere stabile e di rilasciare idrogeno soltanto a temperature molto elevate, superiori a 300°C. Ciò risulta poco pratico e inefficiente per le applicazioni legate allo stoccaggio dell’idrogeno.
Zhang et al. (2020) hanno studiato la possibilità di immagazzinare idrogeno in modo reversibile a temperatura ambiente creando nanoparticelle ultrafini di MgH₂. Hanno utilizzato la sonicazione per avviare un processo di metatesi, che è sostanzialmente un processo di doppia decomposizione. La sonicazione è stata applicata a una sospensione costituita da liquido e solidi per creare nanoparticelle. Queste nanoparticelle, prive di strutture di supporto aggiuntive, sono state prodotte con successo con dimensioni prevalentemente intorno a 4–5 nm. Per queste nanoparticelle, i ricercatori hanno misurato una capacità di stoccaggio reversibile dell’idrogeno pari al 6,7 wt% a 30°C, un risultato significativo che non era stato dimostrato in precedenza. Ciò è stato reso possibile dalla destabilizzazione termodinamica e dalla riduzione delle barriere cinetiche. Le nanoparticelle non rivestite hanno inoltre mostrato un comportamento stabile e rapido nei cicli di assorbimento e rilascio dell’idrogeno durante 50 cicli a 150°C, un miglioramento notevole rispetto a MgH₂ massivo. Questi risultati indicano la sonicazione come un potenziale trattamento per aumentare l’efficienza di MgH₂ nello stoccaggio dell’idrogeno.
(cfr. Zhang et al. 2020)

Distribuzione granulometrica di MgH₂ ultrafine preparato mediante sonicazione.
(studio e grafico: ©Zhang et al., 2020)

Sonicatori ad alte prestazioni per il trattamento dell’idruro di magnesio

La sonochimica – l’applicazione degli ultrasuoni di potenza alle reazioni chimiche – è una tecnologia di trattamento affidabile che facilita e accelera le sintesi, le reazioni catalitiche e altre reazioni eterogenee. La gamma di Hielscher Ultrasonics comprende sonicatori compatti da laboratorio e sistemi sonochimici industriali per ogni tipo di applicazione chimica, come l’idrolisi dell’idruro di magnesio e la sua macinazione nanometrica / nanostrutturazione. Questo consente a noi di Hielscher di offrirvi il sonicatore più adatto al processo con MgH2 che intendete realizzare. Il nostro personale con molti anni di esperienza vi assisterà dalle prove di fattibilità e dall’ottimizzazione del processo fino all’installazione del vostro sistema a ultrasuoni sulla scala di produzione finale.
L’ingombro ridotto dei nostri omogeneizzatori a ultrasuoni e la versatilità delle loro opzioni di installazione li rendono adatti anche a impianti di trattamento con spazi limitati. I processori a ultrasuoni sono installati in tutto il mondo negli impianti di chimica fine, petrolchimica e produzione di nanomateriali.

Trattamento in batch e in linea

Le apparecchiature sonochimiche Hielscher possono essere utilizzate per il trattamento in batch e a flusso continuo. Il trattamento a ultrasuoni in batch è ideale per le prove di processo, l’ottimizzazione e la produzione su piccola e media scala. Per produrre grandi volumi di materiali, il trattamento in linea può essere più vantaggioso. Un processo di miscelazione continuo in linea richiede una configurazione sofisticata – costituita da una pompa, tubi flessibili o rigidi e serbatoi – ma è altamente efficiente, rapido e richiede significativamente meno manodopera. Hielscher Ultrasonics dispone della configurazione sonochimica più adatta alla vostra reazione di sonosintesi, al volume da trattare e ai vostri obiettivi.

Sonde e reattori a ultrasuoni per l’idrolisi di MgH₂ su qualsiasi scala

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics comprende l’intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai sonicatori compatti da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di trattare carichi equivalenti a quelli di interi camion ogni ora. La gamma completa ci consente di offrirvi l’omogeneizzatore a ultrasuoni più adatto alla vostra capacità di trattamento e ai vostri obiettivi di produzione.
I sistemi a ultrasuoni da banco sono ideali per le prove di fattibilità e l’ottimizzazione del processo. L’aumento di scala lineare basato su parametri di processo consolidati rende molto semplice aumentare le capacità di trattamento, passando da piccoli lotti alla produzione su scala pienamente commerciale. L’aumento di scala può essere realizzato installando un’unità a ultrasuoni più potente oppure raggruppando diversi sonicatori in parallelo. Con UIP16000, Hielscher offre l’omogeneizzatore a ultrasuoni più potente al mondo.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti i sonicatori Hielscher sono controllabili con precisione e costituiscono quindi strumenti affidabili per la produzione. L’ampiezza è uno dei parametri di processo fondamentali che influenzano l’efficienza e l’efficacia delle reazioni sonochimiche Tutti i processori Hielscher Ultrasonics consentono di impostare con precisione l’ampiezza. I sonotrodi e gli amplificatori meccanici sono accessori che permettono di modificare l’ampiezza entro un intervallo ancora più ampio. I processori a ultrasuoni industriali Hielscher possono generare ampiezze molto elevate e fornire l’intensità ultrasonica necessaria per applicazioni impegnative. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7.
L’impostazione precisa dell’ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni mediante software intelligente vi consentono di trattare i vostri reagenti nelle condizioni ultrasoniche più efficaci. Sonicazione ottimale per un grado di conversione chimica eccezionale!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente il funzionamento 24/7 in condizioni di impiego gravose e in ambienti impegnativi. Ciò rende i sonicatori Hielscher uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa i requisiti del vostro processo chimico.

Massima qualità – progettati e fabbricati in Germania

In quanto azienda a proprietà e gestione familiare, Hielscher dà priorità ai più elevati standard qualitativi per i suoi processori a ultrasuoni. Tutti i sonicatori sono progettati, fabbricati e accuratamente collaudati presso la nostra sede a Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l’affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher le rendono strumenti instancabili nella vostra produzione. Il funzionamento 24/7 a pieno carico e in ambienti impegnativi è una caratteristica naturale dei miscelatori Hielscher ad alte prestazioni.
I processori a ultrasuoni industriali Hielscher Ultrasonics possono generare ampiezze molto elevate. È possibile mantenere facilmente ampiezze fino a 200µm in funzionamento continuo 24/7. Per ampiezze ancora maggiori sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

La tabella seguente fornisce un’indicazione della capacità di trattamento approssimativa dei nostri sonicatori: