Magnesiumhydride op nanogrootte voor efficiënte waterstofopslag

Sonificatie wordt toegepast op magnesiumhydride om de hydrolyse van magnesiumhydride te versnellen en de waterstofproductie te verbeteren. Bovendien vertoont ultrasoon nanogestructureerd magnesiumhydride, d.w.z. MgH2-nanodeeltjes, een verbeterde waterstofopslagcapaciteit.

Magnesiumhydride voor waterstofopslag

Magnesiumhydride, MgH₂heeft veel aandacht getrokken als optie voor waterstofopslag. De belangrijkste voordelen zijn de overvloedige bron, hoge prestaties, licht gewicht, lage kosten en veiligheid. In vergelijking met andere hydriden die bruikbaar zijn voor waterstofopslag, is MgH₂ heeft de hoogste waterstofopslagdichtheid tot 7,6%. Waterstof kan in Mg worden opgeslagen in de vorm van metaalhydriden op basis van Mg. Het syntheseproces van MgH2 staat bekend als dissociatieve chemisorptie. Een veelgebruikte methode om metaalhydride op basis van Mg en H2 te produceren, is de vorming bij een temperatuur van 300-400 °C en een waterstofdruk van 2,4-40 MPa. De formatievergelijking gaat als volgt: Mg + H₂ MgH₂
De hoge warmtebehandeling gaat gepaard met aanzienlijke degradatie-effecten van de hydriden, zoals herkristallisatie, fasescheiding, agglomeratie van nanodeeltjes enz. Bovendien maken de hoge temperaturen en drukken de vorming van MgH2 energie-intensief, complex en daardoor duur.

Ultrasone hydrolyse van magnesiumhydride

Hiroi et al. (2011) toonden aan dat sonicatie van MgH2 nanodeeltjes en nanovezels de hydrolysereactie MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ versterkte. In dit onderzoek vertoonden de MgH2-nanovezels een maximale waterstofopslagcapaciteit van 14,4 massaprocent bij kamertemperatuur. Daarnaast toonden de onderzoekers aan dat een combinatie van sonicatie en MgH2-hydrolyse aanzienlijk effectief is voor het efficiënt genereren van waterstof zonder verhitting en toevoeging van chemische middelen. Ze ontdekten ook dat ultrasoon geluid met een lage frequentie de meest efficiënte methode was om een hoge omzettingssnelheid te verkrijgen. De hydrolysesnelheid bij laagfrequente sonicatie "bereikte wel 76% in termen van de reactiegraad bij 7,2 ks bij een ultrasone frequentie van 28 kHz. Deze waarde was meer dan 15 keer de waarde die werd verkregen in het geval van het niet-gesoniseerde monster, wat duidt op een equivalente waterstofdichtheid van 11,6 massaprocent op basis van het gewicht van MgH2."
De resultaten toonden aan dat ultrageluid de hydrolysereactie van MgH2 versterkt door de reactiesnelheidsconstante te verhogen als gevolg van het genereren van radicalen en het exfoliëren van de passieve laag Mg(OH)2 over het niet-gereageerde MgH2 als gevolg van het genereren van grote schuifkrachten. (Hiroi et al. 2011)

Probleem: trage hydrolyse van magnesiumhydride

Bevordering van magnesiumhydridehydrolyse via kogelmalen, heetwaterbehandeling of chemische additieven is onderzocht, maar bleek de chemische omzettingssnelheid niet significant te verbeteren. Wat de toevoeging van chemicaliën betreft, produceerden chemische additieven, zoals buffermiddelen, chelatoren en ionenwisselaars, die hielpen om de vorming van een passiverende Mg(OH)2-laag te voorkomen, onzuiverheden in het post-Mg-fusieproces.

Oplossing: Ultrasoon dispergeren van magnesiumhydride

Ultrasoon dispergeren en nat malen is een zeer efficiënte techniek om deeltjes van nanoformaat en kristallen met een zeer smalle verdelingscurve te produceren. Door magnesiumhydride gelijkmatig in nanogrootte te dispergeren, wordt het actieve oppervlak aanzienlijk vergroot. Bovendien verwijdert sonicatie passiverende lagen en verhoogt het de massaoverdracht voor superieure chemische omzettingssnelheden. Ultrasoon malen, dispergeren, deagglomereren en reinigen van het deeltjesoppervlak overtreffen andere maaltechnieken in efficiëntie, betrouwbaarheid en eenvoud.

Ultrasoon nat malen en dispergeren is een zeer efficiënte methode voor het verkleinen van de deeltjesgrootte, bijvoorbeeld van magnesiumhydride.

Nanogestructureerd magnesiumhydride als verbeterde opslag van waterstof

Het is wetenschappelijk bewezen dat nanostructurering van magnesiumhydriden een effectieve strategie is om tegelijkertijd de thermodynamische en kinetische ab-/absorptie-eigenschappen van MgH2 te verbeteren. Op nanogrootte/nanostructuur gebaseerde magnesiumstructuren zoals MgH2-nanodeeltjes en -vezels kunnen verder worden verbeterd door de deeltjes- en korrelgrootte te verkleinen, waardoor de enthalpie ΔH van de hydridevorming afneemt. Berekeningen toonden aan dat de reactiebarrière voor de ontleding van MgH2 van nanogrootte opmerkelijk lager was dan die van bulk-MgH2, wat aangeeft dat engineering van de nanostructuur van MgH2 thermodynamisch en kinetisch gunstig is voor de verbeterde prestaties. (vgl. Ren et al., 2023)

Vergelijking van de energiebarrières voor waterstofabsorptie en -desorptie van bulk MgH2 en nanogestructureerd ultrafijn MgH2.
(studie en grafiek: ©Zhang et al., 2020)

Ultrasoon nanosizen en nanostructureren van magnesiumhydride

Ultrasone nanostructurering is een zeer effectieve techniek die het mogelijk maakt om de thermodynamica van magnesiumhydride te veranderen zonder de waterstofcapaciteit te beïnvloeden. De ultrafijne MgH2-nanodeeltjes vertonen een aanzienlijk verbeterde waterstofdesorptiecapaciteit. Door magnesiumhydride op nanoniveau te verkleinen kan de waterstofabsorptietemperatuur aanzienlijk worden verlaagd en de her-/de-hydrogenatiesnelheid van MgH2 worden verhoogd, door de introductie van defecten, het verkorten van de waterstofdiffusiepaden, het vergroten van het aantal nucleatieplaatsen en het destabiliseren van de Mg-H-binding.
Een eenvoudige sonochemische behandeling maakt de vorming van hidriden met lage energie mogelijk, vooral in het geval van de behandeling van magnesiumdeeltjes. Baidukova et al. (2026) toonden bijvoorbeeld de mogelijkheid aan om hidriden met lage energie te vormen in een poreuze magnesium-magnesiumhydroxidematrix door middel van de sonochemische behandeling van magnesiumdeeltjes in waterige suspensies.

Sonochemisch gesynthetiseerd nanomagnesiumhydride voor efficiënte waterstofopslag

Ultrasoon bereide magnesiumhydride nanodeeltjes bereiken omkeerbaarheid van 6,7 wt% omkeerbare opslag van waterstof bij omgevingstemperatuur
Het gebruik van lichte metaalhydriden als dragers voor waterstofopslag is een veelbelovende benadering voor veilige en efficiënte opslag van waterstof. Eén bepaald metaalhydride, magnesiumhydride (MgH2), heeft veel belangstelling gekregen vanwege het hoge waterstofgehalte en de overvloed aan magnesium in de natuur. MgH2 in bulk heeft echter het nadeel dat het stabiel is en alleen waterstof afgeeft bij zeer hoge temperaturen van meer dan 300 °C. Dit is onpraktisch en inefficiënt. Dit is onpraktisch en inefficiënt voor waterstofopslagtoepassingen.
Zhang et al. (2020) onderzochten de mogelijkheid van omkeerbare waterstofopslag bij omgevingstemperatuur door ultrafijne nanodeeltjes van MgH2 te maken. Ze gebruikten sonicatie om een metatheseproces op gang te brengen, wat in feite een dubbel ontledingsproces is. Sonificatie werd toegepast op een slurry bestaande uit vloeistof en vaste stoffen met als doel nanodeeltjes te creëren. Deze nanodeeltjes, zonder extra steigerstructuren, werden met succes geproduceerd met afmetingen die voornamelijk rond de 4-5 nm liggen. Voor deze nanodeeltjes werd een omkeerbare waterstofopslagcapaciteit gemeten van 6,7 wt% bij 30°C, een belangrijke prestatie die nog niet eerder is aangetoond. Dit werd mogelijk gemaakt door thermodynamische destabilisatie en verminderde kinetische barrières. De naakte nanodeeltjes vertoonden ook stabiel en snel waterstofcyclusgedrag gedurende 50 cycli bij 150°C, een opmerkelijke verbetering vergeleken met bulk MgH2. Deze bevindingen stellen sonicatie voor als potentiële behandeling die leidt tot een hogere efficiëntie van MgH2 voor waterstofopslag.
(vgl. Zhang et al. 2020)

Deeltjesgrootteverdeling ultrafijn MgH2 bereid na sonicatie.
(studie en grafiek: ©Zhang et al., 2020)

Ultrasone apparaten met hoge prestaties voor de behandeling van magnesiumhydride

sonochemie – de toepassing van ultrageluid op chemische reacties – is een betrouwbare verwerkingstechnologie die syntheses, katalytische reacties en andere hetergene reacties vergemakkelijkt en versnelt. Het portfolio van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige bereik van compacte ultrasone laboratoria tot industriële sonochemische systemen voor allerlei chemische toepassingen, zoals de hydrolyse van magnesiumhydride en nanomaling/nanostructurering. Hierdoor kunnen wij bij Hielscher u de meest geschikte ultrasoonmachine aanbieden voor uw beoogde MgH2-proces. Onze ervaren medewerkers begeleiden u van haalbaarheidstests en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasoon systeem op eindproductieniveau.
Dankzij het kleine oppervlak van onze ultrasone homogenisatoren en hun veelzijdige installatiemogelijkheden passen ze zelfs in verwerkingsfaciliteiten met weinig ruimte. Ultrasone processors worden wereldwijd geïnstalleerd in de fijnchemie, petrochemie en productiefaciliteiten voor nanomaterialen.

Batch en inline

Hielscher sonochemische apparatuur kan worden gebruikt voor batchverwerking en continue doorstroomverwerking. Ultrasone batchverwerking is ideaal voor het testen en optimaliseren van processen en voor kleine tot middelgrote producties. Voor de productie van grote hoeveelheden materialen kan inline verwerking voordeliger zijn. Een continu inline mengproces vereist een geavanceerde opstelling – bestaande uit een pomp, slangen of leidingen en tanks -, maar het is zeer efficiënt, snel en vereist aanzienlijk minder arbeid. Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte sonochemische opstelling voor uw sono-synthesereactie, verwerkingsvolume en doelen.

Ultrasone sondes en reactoren voor MgH2-hydrolyse op elke schaal

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processors, van compacte laboratorium-ultrasone processors via bench-top en pilot-systemen tot volledig industriële ultrasone processors met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen wij u de meest geschikte ultrasone homogenisator aanbieden voor uw procescapaciteit en productiedoelen.
Ultrasone benchtopsystemen zijn ideaal voor haalbaarheidstests en procesoptimalisatie. Door lineaire schaalvergroting op basis van vastgestelde procesparameters is het heel eenvoudig om de verwerkingscapaciteit te verhogen van kleinere partijen tot volledig commerciële productie. Opschalen kan door een krachtiger ultrasoon apparaat te installeren of door meerdere ultrasone apparaten parallel te schakelen. Met de UIP16000 biedt Hielscher de krachtigste ultrasone homogenisator ter wereld.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle Hielscher ultrasone machines zijn nauwkeurig regelbaar en daardoor betrouwbare werkpaarden in de productie. De amplitude is een van de cruciale procesparameters die de efficiëntie en effectiviteit van sonochemische reacties beïnvloeden. Met alle Hielscher Ultrasonics processors kan de amplitude nauwkeurig worden ingesteld. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires waarmee de amplitude in een nog breder bereik kan worden aangepast. Hielscher industriële ultrasoonprocessoren kunnen zeer hoge amplitudes leveren en de vereiste ultrasone intensiteit leveren voor veeleisende toepassingen. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf.
Dankzij de nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software kunt u uw reagentia behandelen met de meest effectieve ultrasone omstandigheden. Optimale sonicatie voor een uitstekende chemische omzettingssnelheid!
De robuustheid van Hielscher ultrasoonapparatuur maakt het mogelijk om 24/7 te werken onder zware omstandigheden en in veeleisende omgevingen. Dit maakt de ultrasoonapparatuur van Hielscher tot een betrouwbaar werkinstrument dat voldoet aan uw eisen voor chemische processen.

Hoogste kwaliteit – Ontworpen en geproduceerd in Duitsland

Als familiebedrijf geeft Hielscher de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasoonprocessoren. Alle ultrasoonapparaten worden ontworpen, geproduceerd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van Hielscher ultrasoonapparatuur maken het tot een werkpaard in uw productie. 24/7 werking onder volle belasting en in veeleisende omgevingen is een natuurlijke eigenschap van Hielscher's hoogwaardige mengers.
De industriële ultrasoonprocessoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplituden tot 200 µm kunnen gemakkelijk continu worden gebruikt in een 24/7 bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotroden verkrijgbaar.

De onderstaande tabel geeft een indicatie van de verwerkingscapaciteit van onze ultrasone machines: