効率的な水素貯蔵としてのナノサイズ水素化マグネシウム

超音波処理は、水素生成を促進するために水素化マグネシウムの加水分解を促進するために水素化マグネシウムに適用されます。さらに、超音波ナノ構造の水素化マグネシウム、すなわちMgH2ナノ粒子は、改善された水素貯蔵能力を示す。

水素貯蔵用水素化マグネシウム

水素化マグネシウム、MgH₂は、水素貯蔵の選択肢として広く注目されています。主な利点は、豊富なリソース、高性能、軽量、低コスト、および安全性です。水素貯蔵に使用可能な他の水素化物と比較して、MgH₂ 水素貯蔵密度が最大7.6重量%と最も高いです。水素は、Mgベースの金属水素化物の形でMgで貯蔵できます。MgH2合成のプロセスは、解離性化学吸着として知られています。MgとH2からMgベースの金属水素化物を製造する一般的な方法は、300〜400°Cの温度と2.4〜40MPaの水素圧力での形成です。形成方程式は次のようになります:Mg + H₂ ⇌ MgH₂
高熱処理は、再結晶、相偏析、ナノ粒子凝集など、水素化物の大幅な劣化効果を伴います。さらに、高温高圧はMgH2の形成をエネルギー集約的で複雑にし、したがって高価にします。

水素化マグネシウムの超音波加水分解

Hiroiら(2011)は、MgH2ナノ粒子およびナノファイバーの超音波処理が加水分解反応MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277kJを増強することを示した。本研究では、MgH2ナノファイバーは室温で最大14.4 mass%の水素貯蔵容量を示しました。さらに、研究者らは、超音波処理とMgH2加水分解の組み合わせが、加熱や化学薬品の添加なしに効率的に水素を生成するのにかなり効果的であることを示しました。彼らはまた、低周波超音波が高い変換率を得るために最も効率的な方法であることを発見しました。低周波超音波処理での加水分解速度は、「28kHzの超音波周波数で7.2ksでの反応度に関して76%にも達しました。この値は、超音波処理されていないサンプルの場合に得られた値の15倍以上であり、MgH2の重量に基づいて11.6質量%の等価水素密度を示していました。
その結果、超音波は、ラジカルの生成による反応速度定数の増加と、大きなせん断力の発生による未反応のMgH2上のMg(OH)2の受動層の剥離により、MgH2の加水分解反応を強化することが明らかになりました。(Hiroi et al. 2011)

問題:水素化マグネシウムの加水分解が遅い

ボールミル、温水処理、または化学添加物による水素化マグネシウム加水分解の促進が研究されていますが、化学変換率を有意に向上させることは見つかりませんでした。薬品の添加については、不動態化Mg(OH)2層の形成を防ぐのに役立った緩衝剤、キレート剤、イオン交換体などの化学添加物が、Mgサイクル後のプロセスで不純物を生成しました。

解決策:水素化マグネシウムの超音波分散

超音波分散および湿式粉砕は、非常に狭い分布曲線を有するナノサイズの粒子および結晶を製造するための非常に効率的な技術である。水素化マグネシウムをナノサイズに均一に分散させることにより、活性表面積が大幅に拡大します。さらに、超音波処理は不動態化層を除去し、物質移動を増加させて優れた化学変換率を実現します。超音波ミリング、分散、解凝集、および粒子表面洗浄は、効率、信頼性、およびシンプルさにおいて他のミリング技術に優れています。

超音波湿式粉砕および分散は、例えば水素化マグネシウムの粒子サイズ縮小のための非常に効率的な方法です

改良型水素貯蔵としてのナノ構造水素化マグネシウム

ナノ構造化水素化マグネシウムは、MgH2のab/脱吸着熱力学的および速度論的特性を同時に向上させることを可能にする効果的な戦略であることが科学的に証明されています。MgH2ナノ粒子やナノファイバーなどのナノサイズ/ナノ構造マグネシウムベースの構造は、粒子サイズと粒径を小さくすることでさらに強化でき、それによってそれらの水素化物形成エンタルピーΔHを減少させることができます。計算により、ナノサイズのMgH2の分解に対する反応障壁は、バルクのMgH2のそれよりも著しく低いことが明らかになり、MgH2のナノ構造工学が熱力学的および速度論的に強化された性能に有利であることが示されました。(Ren et al., 2023参照)

バルクMgH2とナノ構造超微細MgH2の水素吸脱着におけるエネルギー障壁の比較。
(研究とグラフ:©Zhang et al., 2020)

水素化マグネシウムの超音波ナノサイジングとナノ構造化

超音波ナノ構造化は、水素容量に影響を与えることなく水素化マグネシウムの熱力学を変化させることを可能にする非常に効果的な技術である。超微細なMgH2ナノ粒子は、大幅に改善された水素脱離能力を示します。水素化マグネシウムのナノサイジングは、欠陥の導入、水素拡散経路の短縮、核形成部位の増加、およびMg-H結合の不安定化により、水素のab-/脱吸着温度を大幅に低下させ、MgH2の再/脱水素化の速度を増加させる方法です。
単純な音響化学的処理は、特にマグネシウム粒子処理の場合、低エネルギー水素化物形成の可能性を提供します。例えば、Baidukova et al.(2026)は、水性懸濁液中のマグネシウム粒子の音響化学的処理により、多孔質マグネシウム-水酸化マグネシウムマトリックス中に低エネルギー水素化物を形成する可能性を示しました。

効率的な水素貯蔵のための音響化学的に合成されたナノ水素化マグネシウム

超音波で調製された水素化マグネシウムナノ粒子は、水素の可逆貯蔵6.7重量%の周囲温度可逆性を達成する
水素貯蔵のための担体として軽金属水素化物を使用することは、水素を安全かつ効率的に貯蔵するための有望なアプローチです。特定の金属水素化物の1つである水素化マグネシウム(MgH2)は、その高い水素含有量と自然界のマグネシウムの豊富さから、大きな関心を集めています。しかし、バルクのMgH2は安定しており、300°C以上の非常に高い温度でしか水素を放出しないという欠点があります。 これは、水素貯蔵関連のアプリケーションには非現実的であり、非効率的です。
Zhang et al. (2020) は、MgH2 の超微細ナノ粒子を作成することにより、周囲温度での可逆的な水素貯蔵の可能性を調査しました。彼らは、事実上二重分解プロセスであるメタセシスプロセスを開始するために超音波処理を使用しました。超音波処理は、ナノ粒子を作製する目的で、液体および固体からなるスラリーに適用した。これらのナノ粒子は、追加の足場構造なしで、主に約4〜5nmのサイズで成功裏に製造されました。これらのナノ粒子について、yは30°Cで6.7wt%の可逆的な水素貯蔵容量を測定し、これまでに実証されていない大きな成果を達成しました。これは、熱力学的不安定化と運動障壁の減少によって可能になりました。また、裸のナノ粒子は、150°Cで50サイクルの間、安定的かつ迅速な水素循環挙動を示し、バルクのMgH2と比較して顕著な改善を示しました。これらの知見は、水素貯蔵のためのMgH2のより高い効率につながる潜在的な治療法として超音波処理を示しています。
(cf. Zhang et al. 2020)

粒度分布超微粒子MgH2 超音波処理後に調製。
(研究とグラフ:©Zhang et al., 2020)

マグネシウム水素化物処理のための高性能超音波装置

ソノケミストリー – 化学反応へのパワー超音波の応用 – は、合成、触媒反応、その他の不均一反応を促進し、加速する信頼性の高い処理技術です。ヒールシャー超音波ポートフォリオは、コンパクトなラボ用超音波装置から、水素化マグネシウムの加水分解とそのナノミリング/ナノ構造化などのあらゆる種類の化学用途のための工業用音響システムまで、全範囲をカバーしています。これにより、ヒールシャーでは、想定されるMgH2プロセスに最適な超音波装置を提供できます。当社の長年の経験豊富なスタッフが、実現可能性テストやプロセスの最適化から、最終的な生産レベルでの超音波システムの設置まで、お客様を支援します。
当社の超音波ホモジナイザーの小さなフットプリントと設置オプションの多様性により、小さなスペースの処理施設にも適合します。超音波プロセッサは、世界中のファインケミストリー、石油化学、およびナノ材料製造施設に設置されています。

バッチおよびインライン

ヒールシャーソノケミカル装置は、バッチおよび連続フロースルー処理に使用できます。超音波バッチ処理は、プロセステスト、最適化、および中小規模の生産レベルに最適です。材料を大量に生産する場合は、インライン加工の方が有利かもしれません。連続的なインライン混合プロセスには、高度なセットアップが必要です – ポンプ、ホースまたはパイプ、タンクで構成されていますが、非常に効率的で迅速で、必要な労力が大幅に少なくなります。ヒールシャー超音波は、あなたのソノ合成反応、処理量および目標に最も適したソノケミカルセットアップを持っています。

あらゆるスケールでのMgH2加水分解のための超音波プローブと反応器

ヒールシャー超音波製品群は、ベンチトップおよびパイロットシステム上のコンパクトなラボ用超音波装置から、1時間あたりのトラック負荷を処理する能力を持つ完全産業用超音波プロセッサまで、超音波プロセッサの全範囲をカバーしています。全製品範囲により、お客様のプロセス能力と生産目標に最適な超音波ホモジナイザーを提供できます。
超音波ベンチトップシステムは、実現可能性試験とプロセスの最適化に最適です。確立されたプロセスパラメータに基づく線形スケールアップにより、処理能力を小ロットから完全な商業生産に容易に増やすことができます。アップスケーリングは、より強力な超音波ユニットを設置するか、または複数の超音波装置を並行してクラスター化することによって行うことができます。UIP16000により、ヒールシャーは世界で最も強力な超音波ホモジナイザーを提供しています。

最適な結果を得るために正確に制御可能な振幅

すべてのヒールシャー超音波装置は、正確に制御可能であり、それにより生産における信頼性の高い働き馬です。振幅は、音響化学反応の効率と有効性に影響を与える重要なプロセスパラメータの1つです すべてのヒールシャー超音波プロセッサは、振幅の正確な設定を可能にします。ソノトロードとブースターホーンは、さらに広い範囲で振幅を変更できるアクセサリーです。ヒールシャー工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供し、要求の厳しいアプリケーションに必要な超音波強度を提供することができます。最大200μmの振幅は、24/7操作で簡単に連続運転できます。
正確な振幅設定とスマートソフトウェアによる超音波プロセスパラメータの恒久的な監視により、最も効果的な超音波条件でレーガントを治療することができます。優れた化学変換率のための最適な超音波処理!
ヒールシャー超音波装置の堅牢性は、ヘビーデューティで、要求の厳しい環境での24 / 7操作を可能にします。これにより、ヒールシャーの超音波装置は、あなたの化学プロセスの要件を満たす信頼性の高い作業ツールになります。

最高品質 – ドイツで設計および製造

家族経営の企業として、ヒールシャーは、その超音波プロセッサのための最高の品質基準を優先しています。すべての超音波装置は、ドイツのベルリン近郊のテルトウにある本社で設計、製造、徹底的にテストされています。ヒールシャー超音波装置の堅牢性と信頼性は、それをあなたの生産の働き者にします。全負荷下で、要求の厳しい環境での24 / 7操作は、ヒールシャーの高性能ミキサーの自然な特性です。
ヒールシャー超音波工業用超音波プロセッサは、非常に高い振幅を提供することができます。最大200μmの振幅は、24/7操作で簡単に連続運転できます。さらに高い振幅のために、カスタマイズされた超音波ソノトロードが利用可能です。

以下の表は、当社の超音波装置のおおよその処理能力を示しています。