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 dell'idrogeno

Idruro 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, complessa e quindi costosa.

Idrolisi ultrasonica 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 potenziano la reazione di idrolisi dell'MgH2 aumentando la costante di velocità di reazione a causa della generazione di radicali ed esfoliando lo strato passivo di Mg(OH)2 sull'MgH2 non reagito a causa della generazione di grandi forze di taglio. (Hiroi et al. 2011)

Problema: lenta idrolisi 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 e cristalli di dimensioni nanometriche con una curva di distribuzione molto stretta. Disperdendo uniformemente l'idruro di magnesio in dimensioni nanometriche, l'area superficiale attiva viene notevolmente ampliata. Inoltre, la sonicazione rimuove gli strati passivanti e aumenta il trasferimento di massa per ottenere tassi di conversione chimica superiori. La macinazione a ultrasuoni, la dispersione, la deagglomerazione e la pulizia della superficie delle particelle superano le altre tecniche di macinazione per efficienza, affidabilità e semplicità.

La macinazione a umido 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 dell'ab/de-sorbimento di MgH2. Le strutture nanometriche/nanostrutturate 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)

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

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 strutture aggiuntive 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 del 6,7% 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 nei cicli di 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)

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

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

sicochimica – 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 con spazi ridotti. I processori a ultrasuoni sono installati in tutto il mondo in impianti di chimica fine, petrolchimica e produzione di nano-materiali.

Batch e Inline

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 o tubazioni e serbatoi -, ma è altamente efficiente, rapido e richiede molta meno manodopera. Hielscher Ultrasonics ha l'impostazione ecochimica più adatta alla vostra reazione di sintesi sonora, al vostro volume di lavorazione e ai vostri obiettivi.

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

La gamma di prodotti Hielscher Ultrasonics copre l'intero spettro dei processori a ultrasuoni, dai compatti ultrasuoni da laboratorio ai sistemi da banco e pilota, fino ai processori a ultrasuoni completamente industriali con la capacità di lavorare carichi di camion all'ora. L'intera gamma di prodotti ci permette di offrirvi l'omogeneizzatore a ultrasuoni più adatto alla vostra capacità di processo e ai vostri obiettivi di produzione.
I sistemi a ultrasuoni da banco sono ideali per le prove di fattibilità e l'ottimizzazione dei processi. Lo scale-up lineare basato sui parametri di processo stabiliti rende molto facile aumentare le capacità di lavorazione da lotti più piccoli alla produzione commerciale completa. L'up-scaling può essere effettuato installando un'unità a ultrasuoni più potente o raggruppando più ultrasuoni in parallelo. Con il modello UIP16000, Hielscher offre l'omogeneizzatore a ultrasuoni più potente al mondo.

Ampiezze controllabili con precisione per risultati ottimali

Tutti gli ultrasuoni Hielscher sono controllabili con precisione e quindi affidabili nella produzione. L'ampiezza è uno dei parametri di processo cruciali che influenzano l'efficienza e l'efficacia delle reazioni stereo-chimiche. 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 fornire 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, 7 giorni su 7.
Le impostazioni precise dell'ampiezza e il monitoraggio permanente dei parametri del processo a ultrasuoni tramite un software intelligente consentono di trattare i 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 200 µm 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 ultrasonori: