Idruro di magnesio nano-dimensionato come efficiente accumulatore di idrogeno

La sonicazione viene applicata all'idruro di magnesio per accelerare l'idrolisi dell'idruro di magnesio e migliorare la generazione di idrogeno. Inoltre, l'idruro di magnesio nanostrutturato con ultrasuoni, cioè le nanoparticelle di MgH2, mostrano una migliore capacità di immagazzinare idrogeno.

Idruro di magnesio per lo stoccaggio di idrogeno

L'idruro di magnesio può essere sintetizzato in modo efficiente ed economico tramite idrolisi ad ultrasuoniIdruro di magnesio, MgH2ha attirato l'attenzione come opzione per lo stoccaggio dell'idrogeno. I vantaggi principali sono l'abbondanza di risorse, le elevate prestazioni, la leggerezza, il basso costo e la sicurezza. Rispetto ad altri idruri utilizzabili per lo stoccaggio dell'idrogeno, MgH2 ha le densità di stoccaggio dell'idrogeno più elevate, fino al 7,6% in peso. L'idrogeno può essere immagazzinato nel Mg sotto forma di idruri metallici a base di Mg. Il processo di sintesi del MgH2 è noto come chemisorbimento dissociativo. Un metodo comune per produrre idruri metallici a base di Mg a partire da Mg e H2 è la formazione a una temperatura di 300-400°C e una pressione dell'idrogeno di 2,4-40 MPa. L'equazione di formazione è la seguente: Mg + H2 ⇌ MgH2
L'elevato trattamento termico comporta significativi effetti di degradazione degli idruri, come ricristallizzazione, segregazione di fase, agglomerazione di nanoparticelle, ecc. Inoltre, le temperature e le pressioni elevate rendono la formazione di MgH2 dispendiosa in termini energetici e complessi e quindi costosa.

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MultiSonoReactor MSR-4 per la sonicazione ad alta produttività dell'idruro di magnesio

MultiSonoReactor MSR-4 per la sonicazione ad alta produttività dell'idruro di magnesio

Idrolisi a ultrasuoni dell'idruro di magnesio

Hiroi et al. (2011) hanno dimostrato che la sonicazione di nanoparticelle e nanofibre di MgH2 intensifica 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 immagazzinamento dell'idrogeno del 14,4% in massa a temperatura ambiente. Inoltre, i ricercatori hanno dimostrato che la combinazione di sonicazione e idrolisi di MgH2 è notevolmente efficace per generare in modo efficiente l'idrogeno senza riscaldamento e senza l'aggiunta di agenti chimici. Hanno anche scoperto che gli ultrasuoni a bassa frequenza sono il metodo più efficiente per ottenere un alto tasso di conversione. Il tasso di idrolisi con la sonicazione a bassa frequenza "ha raggiunto il 76% in termini di grado di reazione a 7,2 ks a una frequenza ultrasonica di 28 kHz. Questo valore era più di 15 volte quello ottenuto nel caso del campione non sonicato, indicando una densità di idrogeno equivalente dell'11,6% in massa sulla base del peso di MgH2".
I risultati hanno rivelato che gli ultrasuoni migliorano la reazione di idrolisi di MgH2 aumentando la costante di tasso di reazione a causa della generazione di radicali ed esfoliando lo strato passivo di Mg(OH)2 sopra il MgH2 non reagito a causa della generazione di grandi forze di taglio. (Hiroi et al. 2011)

Problema: idrolisi lenta dell'idruro di magnesio

La promozione dell'idrolisi dell'idruro di magnesio attraverso la macinazione a sfere, il trattamento con acqua calda o gli additivi chimici sono stati studiati, ma non sono risultati in grado di aumentare il tasso di conversione chimica in modo significativo. Per quanto riguarda l'aggiunta di sostanze chimiche, gli additivi chimici, come gli agenti tampone, i chelanti e gli scambiatori di ioni, che hanno contribuito a prevenire la formazione di uno strato passivante di Mg(OH)2, hanno prodotto impurità nel processo successivo al ciclo del Mg.

Soluzione: Dispersione a ultrasuoni dell'idruro di magnesio

La dispersione a ultrasuoni e la macinazione a umido sono una tecnica altamente efficiente per produrre particelle di dimensioni nano e cristalli con una curva di distribuzione molto stretta. Disperdendo l'idruro di magnesio uniformemente in nano-dimensioni, l'area di superficie attiva viene notevolmente ampliata. Inoltre, la sonicazione rimuove gli strati passivanti e aumenta il trasferimento di massa per tassi di conversione chimica superiori. La fresatura a ultrasuoni, la dispersione, la deagglomerazione e la pulizia della superficie delle particelle superano altre tecniche di fresatura in efficienza, affidabilità e semplicità.

L'ultrasuonatore UIP1000hdT è un dispersore potente per la scala di produzione media.

Sonicator UIP1000hdT per la lavorazione continua in linea dell'idruro di magnesio

La macinazione e dispersione a ultrasuoni è un metodo altamente efficiente per la riduzione delle dimensioni delle particelle, ad esempio l'idruro di magnesio

La macinazione e la dispersione a ultrasuoni sono un metodo altamente efficiente per la riduzione delle dimensioni delle particelle, ad esempio dell'idruro di magnesio

Idruro di magnesio nanostrutturato come migliore stoccaggio dell'idrogeno

È stato scientificamente dimostrato che la nanostrutturazione degli idruri di magnesio è una strategia efficace che consente di migliorare contemporaneamente le proprietà termodinamiche e cinetiche di ab/de-sorbimento dell'MgH2. Le strutture nanometriche/nano-strutturate a base di magnesio, come le nanoparticelle e le nanofibre di MgH2, possono essere ulteriormente migliorate riducendo le dimensioni delle particelle e dei grani, diminuendo così l'entalpia di formazione dell'idruro ΔH. I calcoli hanno rivelato che la barriera di reazione per la decomposizione dell'MgH2 di dimensioni nanometriche è notevolmente inferiore a quella dell'MgH2 sfuso, indicando che l'ingegnerizzazione della nanostruttura dell'MgH2 è termodinamicamente e cineticamente favorevole al miglioramento delle prestazioni. (cfr. Ren et al., 2023)

L'idruro di magnesio nanostrutturato a ultrasuoni offre un migliore bilancio energetico per l'assorbimento e il desorbimento dell'idrogeno di MgH2 sfuso

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

Nanosizzazione e nanostrutturazione a ultrasuoni dell'idruro di magnesio

Il team di ricerca della dott.ssa Andreeva ha studiato gli effetti benefici della sonicazione sulla nanostrutturazione di metalli e minerali, come il magnesio e il ferro.La nanostrutturazione a ultrasuoni è una tecnica molto efficace che permette di modificare la termodinamica dell'idruro di magnesio senza influenzare la capacità di idrogeno. Le nanoparticelle ultra-fini di MgH2 mostrano una capacità di desorbimento dell'idrogeno significativamente migliorata. Il nanodimensionamento dell'idruro di magnesio è un modo per ridurre significativamente la temperatura di ab-/de-assorbimento dell'idrogeno e aumentare la velocità di ri/de-idrogenazione di MgH2, grazie all'introduzione di difetti, all'accorciamento dei percorsi di diffusione dell'idrogeno, all'aumento dei siti di nucleazione e alla destabilizzazione del legame Mg-H.
Un semplice trattamento stereo-chimico 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 idrossido di magnesio-magnesio mediante il trattamento stereo-chimico di particelle di magnesio in sospensioni acquose.

Idruro di nano-magnesio sintetizzato per via sonochemica per un efficiente stoccaggio dell'idrogeno

Nanoparticelle di idruro di magnesio preparate ad ultrasuoni raggiungono la reversibilità a temperatura ambiente dell'idrogeno al 6,7 % in peso
L'utilizzo di idruri metallici leggeri come vettori per lo stoccaggio dell'idrogeno è un approccio promettente per uno stoccaggio sicuro ed efficiente dell'idrogeno. Un particolare idruro metallico, l'idruro di magnesio (MgH2), ha suscitato un notevole interesse grazie al suo elevato contenuto di idrogeno e all'abbondanza di magnesio in natura. Tuttavia, l'MgH2 sfuso ha lo svantaggio di essere stabile e di rilasciare idrogeno solo a temperature molto elevate, superiori a 300°C. Questo è poco pratico e inefficiente. Ciò è poco pratico e inefficiente per le applicazioni legate allo stoccaggio dell'idrogeno.
Zhang et al. (2020) hanno studiato la possibilità di immagazzinare idrogeno reversibile a temperatura ambiente creando nanoparticelle ultrafini di MgH2. Hanno utilizzato la sonicazione per avviare un processo di metatesi, che è di fatto un processo di doppia decomposizione. La sonicazione è stata applicata a uno slurry composto da liquidi e solidi con lo scopo di creare nanoparticelle. Queste nanoparticelle, senza ulteriori strutture di impalcatura, sono state prodotte con successo con dimensioni prevalentemente intorno ai 4-5 nm. Per queste nanoparticelle è stata misurata una capacità di immagazzinamento reversibile dell'idrogeno pari al 6,7% in peso a 30°C, un risultato significativo mai dimostrato prima. Ciò è stato possibile grazie alla destabilizzazione termodinamica e alla riduzione delle barriere cinetiche. Le nanoparticelle nude hanno anche mostrato un comportamento stabile e rapido nel ciclo dell'idrogeno durante 50 cicli a 150°C, un notevole miglioramento rispetto al MgH2 sfuso. Questi risultati presentano la sonicazione come potenziale trattamento che porta a una maggiore efficienza dell'MgH2 per lo stoccaggio dell'idrogeno.
(cfr. Zhang et al. 2020)

Le particelle di idruro di magnesio disperse a ultrasuoni presentano una distribuzione nanometrica. L'MgH2 di dimensioni nanometriche mostra migliori proprietà di stoccaggio dell'idrogeno.

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

Trattamento a ultrasuoni dell'idruro di magnesio

  • Reazione più veloce
  • Tasso di conversione più alto
  • MgH2 nanostrutturato
  • Rimozione degli strati di passivazione
  • Reazione più completa
  • aumento del trasferimento di massa
  • Rendimenti più elevati
  • Migliore assorbimento dell'idrogeno
Cella di flusso a ultrasuoni per la macinazione in linea e la nanosizzazione dell'idruro di magnesio. L'MgH2 di dimensioni nanometriche mostra una migliore capacità di stoccaggio dell'idrogeno.

Reattore a ultrasuoni in vetro per la nanostrutturazione in linea di impasti di MgH2

 

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Ultrasuonatori ad alte prestazioni per il trattamento dell'idruro di magnesio

Sonochimica – l'applicazione degli ultrasuoni di potenza alle reazioni chimiche – è una tecnologia di lavorazione affidabile, che facilita e accelera le sintesi, le reazioni catalitiche e altre reazioni eterogenee. Il portafoglio di Hielscher Ultrasonics copre l'intera gamma, dagli ultrasuonatori compatti da laboratorio ai sistemi di sonicazione industriali per tutti i tipi di applicazioni chimiche, come l'idrolisi dell'idruro di magnesio e la sua nano-macinazione/nano-strutturazione. In questo modo, Hielscher è in grado di offrirvi l'ultrasuonatore più adatto al vostro processo di MgH2. Il nostro personale di lunga esperienza vi assisterà dai test di fattibilità e dall'ottimizzazione del processo fino all'installazione del vostro sistema a ultrasuoni a livello di produzione finale.
L'ingombro ridotto dei nostri omogeneizzatori a ultrasuoni e la loro versatilità nelle opzioni di installazione li rendono adatti anche a impianti di lavorazione in spazi ridotti. I processori a ultrasuoni sono installati in tutto il mondo in impianti di chimica fine, petrolchimica e produzione di nanomateriali.

Lotto e in linea

Le apparecchiature stereochimiche Hielscher possono essere utilizzate per il trattamento batch e continuo a flusso continuo. Il trattamento batch a ultrasuoni è ideale per la verifica del processo, l'ottimizzazione e la produzione di piccole e medie dimensioni. Per la produzione di grandi volumi di materiali, il processo in linea potrebbe essere più vantaggioso. Un processo di miscelazione continua in linea richiede un'impostazione sofisticata. – che consiste in una pompa, tubi flessibili o tubi e serbatoi -, ma è altamente efficiente, rapido e richiede molto meno lavoro. Hielscher Ultrasonics ha il setup sonochemical più adatto alla vostra reazione di sono-sintesi, al vostro volume di lavorazione e ai vostri obiettivi.

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

Cella di flusso UIP4000hdT per sonicazione in linea su scala industrialeLa gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro di processori a ultrasuoni, dagli ultrasuoni compatti da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di processare camion carichi all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi l'omogeneizzatore a ultrasuoni più adatto alla vostra capacità di processo e agli obiettivi di produzione.
I sistemi a ultrasuoni da banco sono ideali per i test di fattibilità e l'ottimizzazione del processo. Lo scale-up lineare basato su parametri di processo stabiliti rende molto facile aumentare le capacità di lavorazione dai lotti più piccoli alla produzione completamente commerciale. L'up-scaling può essere fatto installando un'unità a ultrasuoni più potente o raggruppando diversi ultrasuonatori in parallelo. Con il UIP16000, la Hielscher offre l'omogeneizzatore a ultrasuoni più potente al mondo.

Ampiezze precisamente controllabili per risultati ottimali

Tutti gli ultrasuoni Hielscher sono precisamente controllabili e quindi affidabili cavalli di battaglia nella produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia delle reazioni sonochemiche I processori industriali Hielscher della serie hdT possono essere gestiti in modo comodo e semplice tramite il telecomando del browser. Tutti i processori Hielscher Ultrasonics consentono di impostare con precisione l'ampiezza. I sonotrodi e le trombe di rinforzo sono accessori che consentono di modificare l'ampiezza in un intervallo ancora più ampio. I processori industriali a ultrasuoni Hielscher sono in grado di erogare ampiezze molto elevate e di fornire l'intensità ultrasonica richiesta per le applicazioni più complesse. Ampiezze fino a 200 µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24 e 7 giorni su 7.
Impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo ultrasonico tramite un software intelligente vi danno la possibilità di trattare i vostri reagenti con le condizioni ultrasoniche più efficaci. Sonicazione ottimale per un tasso di conversione chimica eccezionale!
La robustezza delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher consente un funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, in condizioni di lavoro gravose e in ambienti difficili. Ciò rende le apparecchiature a ultrasuoni Hielscher uno strumento di lavoro affidabile che soddisfa i requisiti dei processi chimici.

Massima qualità – Progettato e prodotto in Germania

In quanto azienda a conduzione familiare, Hielscher dà priorità ai più alti standard di qualità per i suoi processori a ultrasuoni. Tutti gli ultrasuonatori sono progettati, prodotti e testati a fondo nella nostra sede centrale di Teltow, vicino a Berlino, in Germania. La robustezza e l'affidabilità delle apparecchiature a ultrasuoni Hielscher ne fanno un cavallo di battaglia nella vostra produzione. Il funzionamento 24 ore su 24, 7 giorni su 7, a pieno carico e in ambienti difficili è una caratteristica naturale dei miscelatori ad alte prestazioni di Hielscher.
I processori industriali a ultrasuoni di Hielscher Ultrasonics possono fornire ampiezze molto elevate. Ampiezze fino a 200µm possono essere facilmente gestite in modo continuo, 24 ore su 24, 7 giorni su 7. Per ampiezze ancora maggiori, sono disponibili sonotrodi a ultrasuoni personalizzati.

La tabella seguente fornisce un'indicazione della capacità di lavorazione approssimativa dei nostri ultrasuoni:

Volume di batchPortataDispositivi raccomandati
1 - 500mL10 - 200mL/minUP100H
10 - 2000mL20 - 400mL/minUP200Ht, UP400St
0,1 - 20L0,2 - 4L/minUIP2000hdT
10 - 100L2 - 10L/minUIP4000hdT
Da 15 a 150LDa 3 a 15L/minUIP6000hdT
n.a.10 - 100L/minUIP16000
n.a.più grandecluster di UIP16000

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Si prega di utilizzare il modulo sottostante per richiedere ulteriori informazioni sui processori ad ultrasuoni, le applicazioni e il prezzo. Saremo lieti di discutere il vostro processo con voi e di offrirvi un sistema ad ultrasuoni che soddisfi le vostre esigenze!









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Gli omogeneizzatori a ultrasuoni ad alto potere di taglio sono utilizzati in laboratorio, su banco, in processi pilota e industriali.

Hielscher Ultrasonics produce omogeneizzatori ad ultrasuoni ad alte prestazioni per applicazioni di miscelazione, dispersione, emulsificazione ed estrazione in laboratorio, pilota e su scala industriale.

Letteratura / Referenze



Particolarità / Cose da sapere

Vantaggi dell'idruro di magnesio per lo stoccaggio dell'idrogeno

  • Gravimetrico ideale ed equilibrato
  • Densità energetica volumetrica superiore
  • economica
  • Abbondantemente disponibile
  • Facile da maneggiare (anche in aria)
  • È possibile una reazione diretta con l'acqua
  • La cinetica di reazione può essere personalizzata per applicazioni specifiche
  • Elevata sicurezza di reazione e di prodotto
  • Non tossico e sicuro da usare
  • rispettoso dell'ambiente

Cos'è l'idruro di magnesio?

Idruro di magnesio (MgH2Il magnesio, noto anche come diidride di magnesio, ha una struttura tetragonale e si presenta sotto forma di un cristallo cubico incolore o di una polvere biancastra. È usato come fonte di idrogeno per le batterie a combustibile sotto i 10.000W. La quantità di idrogeno che viene rilasciata dall'acqua è superiore al 14,8wt%, che è significativamente superiore alla quantità di idrogeno rilasciata tramite un serbatoio di idrogeno a gas ad alta pressione (70MPa,~5,5wt%) e materiali di stoccaggio di idrogeno di metalli pesanti (<2wt%). Inoltre, l'idruro di magnesio è sicuro e altamente efficiente, il che lo rende una tecnologia promettente per lo stoccaggio efficace dell'idrogeno. L'idrolisi dell'idruro di magnesio viene utilizzata come sistema di alimentazione dell'idrogeno nelle celle a combustibile a membrana a scambio protonico (PEMFC), migliorando notevolmente la densità energetica del sistema. Sono in fase di sviluppo anche sistemi di batterie a combustibile Mg-H solide o semisolide ad alta densità energetica. Il loro vantaggio promettente è una densità energetica 3-5 volte superiore a quella delle batterie agli ioni di litio.
Sinonimi: Diidruro di magnesio, idruro di magnesio (grado di stoccaggio dell'idrogeno)
Utilizzato come materiale per lo stoccaggio dell'idrogeno
Formula molecolare: MgH2
Peso molecolare: 26,32 Densità: 1,45g/mL
Punto di fusione:>250℃
Solubilità: insolubile in soluzione organica normale


Hielscher Ultrasonics fornisce omogeneizzatori a ultrasuoni ad alte prestazioni dal laboratorio alle dimensioni industriali.

Ultrasuoni ad alte prestazioni! La gamma di prodotti Hielscher copre l'intero spettro dagli ultrasuoni da laboratorio compatti alle unità da banco fino ai sistemi a ultrasuoni industriali completi.

 

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