Magnesiumhydride op nanoschaal voor efficiënte waterstofopslag

Sonicatie wordt toegepast op magnesiumhydride om de hydrolyse van magnesiumhydride te versnellen en zo de waterstofproductie te verbeteren. Bovendien vertoont ultrasoon genanostructureerd magnesiumhydride, oftewel MgH₂-nanodeeltjes, een verbeterde waterstofopslagcapaciteit.

Magnesiumhydride voor waterstofopslag

Magnesiumhydride, MgH₂, heeft veel aandacht gekregen als optie voor waterstofopslag. De belangrijkste voordelen zijn de ruime beschikbaarheid van de grondstof, de hoge prestaties, het lage gewicht, de lage kosten en de veiligheid. In vergelijking met andere hydriden die voor waterstofopslag kunnen worden gebruikt, heeft MgH₂ de hoogste waterstofopslagdichtheden met maximaal 7,6 wt %. Waterstof kan in Mg worden opgeslagen in de vorm van metaalhydriden op basis van Mg. Het proces van MgH₂-synthese staat bekend als dissociatieve chemisorptie. Een gangbare methode om metaalhydride op basis van Mg uit Mg en H2 te produceren, is de vorming bij een temperatuur van 300–400°C en een waterstofdruk van 2,4–40 MPa. De vormingsvergelijking luidt als volgt: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
De warmtebehandeling bij hoge temperatuur gaat gepaard met aanzienlijke degradatie-effecten van de hydriden, zoals rekristallisatie, fasesegregatie, agglomeratie van nanodeeltjes enz. Bovendien maken 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 intensiveerde. In dit onderzoek vertoonden de MgH₂-nanovezels de maximale waterstofopslagcapaciteit van 14,4 mass% bij kamertemperatuur. Bovendien toonden de onderzoekers aan dat een combinatie van sonicatie en MgH₂-hydrolyse aanzienlijk effectief is voor het efficiënt produceren van waterstof zonder verwarming en zonder toevoeging van enig chemisch middel. Ze ontdekten ook dat laagfrequent ultrageluid de efficiëntste methode was om een hoge omzettingsgraad te verkrijgen. De hydrolysegraad bij laagfrequente sonicatie “bereikte maar liefst 76% wat betreft de reactiegraad bij 7,2 ks en een ultrasone frequentie van 28 kHz. Deze waarde was meer dan 15 keer zo hoog als de waarde die werd verkregen bij het monster dat niet aan sonicatie was onderworpen, wat wijst op een equivalente waterstofdichtheid van 11,6 mass% op basis van het gewicht van MgH₂.”
De resultaten lieten zien dat ultrageluid de hydrolysereactie van MgH₂ zal verbeteren door de reactiesnelheidsconstante te verhogen dankzij de vorming van radicalen en door de passieve laag van Mg(OH)₂ op het niet-gereageerde MgH₂ af te schilferen dankzij het ontstaan van grote afschuifkrachten. (Hiroi et al. 2011)

Probleem: trage hydrolyse van magnesiumhydride

Het bevorderen van de hydrolyse van magnesiumhydride door middel van kogelmalen, behandeling met heet water of chemische additieven is onderzocht, maar bleek de chemische omzettingsgraad niet significant te verbeteren. Wat de toevoeging van chemicaliën betreft, veroorzaakten chemische additieven, zoals buffermiddelen, chelaatvormers en ionenwisselaars, die de vorming van een passiverende Mg(OH)₂-laag hielpen voorkomen, onzuiverheden in het post-Mg-cycleringsproces.

Oplossing: ultrasoon dispergeren van magnesiumhydride

Ultrasoon dispergeren en natmalen is een zeer efficiënte techniek om deeltjes en kristallen op nanoschaal met een zeer smalle verdelingscurve te produceren. Door magnesiumhydride gelijkmatig op nanoschaal te dispergeren, wordt het actieve oppervlak aanzienlijk vergroot. Bovendien verwijdert sonicatie passiverende lagen en verhoogt het de massaoverdracht voor superieure chemische omzettingsgraden. Ultrasoon malen, dispergeren, deagglomeratie en reiniging van deeltjesoppervlakken overtreffen andere maaltechnieken op het gebied van efficiëntie, betrouwbaarheid en eenvoud.

Ultrasoon natmalen en dispergeren is een zeer efficiënte methode voor het verkleinen van deeltjes, bijvoorbeeld van magnesiumhydride

Genanostructureerd magnesiumhydride voor verbeterde waterstofopslag

Het is wetenschappelijk bewezen dat het nanostructureren van magnesiumhydriden een effectieve strategie is waarmee de thermodynamische en kinetische eigenschappen van de absorptie/desorptie van MgH2 gelijktijdig kunnen worden verbeterd. Structuren op nanoschaal / genanostructureerde structuren op basis van magnesium, zoals MgH2-nanodeeltjes en nanovezels, kunnen verder worden verbeterd door de deeltjes- en korrelgrootte te verkleinen, waardoor hun enthalpie van hydridevorming ΔH afneemt. Berekeningen toonden aan dat de reactiebarrière voor de ontleding van MgH2 op nanoschaal opmerkelijk lager was dan die van bulk-MgH2, wat erop wijst dat het aanpassen van de nanostructuur van MgH2 thermodynamisch en kinetisch gunstig is voor verbeterde prestaties. (vgl. Ren et al., 2023)

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

Ultrasoon verkleinen tot nanoschaal en nanostructureren van magnesiumhydride

Ultrasoon nanostructureren is een zeer effectieve techniek waarmee de thermodynamica van magnesiumhydride kan worden veranderd zonder de waterstofcapaciteit te beïnvloeden. De ultrafijne MgH₂-nanodeeltjes vertonen een aanzienlijk verbeterde waterstofdesorptiecapaciteit. Het verkleinen van magnesiumhydride tot nanoschaal is een manier om de temperatuur voor waterstofabsorptie/-desorptie aanzienlijk te verlagen en de snelheid van herhydrogenering/dehydrogenering van MgH₂ te verhogen, dankzij de introductie van defecten, de verkorting van waterstofdiffusiepaden, de toename van kiemvormingsplaatsen en de destabilisatie van Mg–H-bindingen.
Een eenvoudige sonochemische behandeling biedt de mogelijkheid om hydriden met lage energie te vormen, met name bij de behandeling van magnesiumdeeltjes. Baidukova et al. (2026) toonden bijvoorbeeld aan dat het mogelijk is om hydriden met lage energie te vormen in een poreuze matrix van magnesium en magnesiumhydroxide door middel van de sonochemische behandeling van magnesiumdeeltjes in waterige suspensies.

Sonochemisch gesynthetiseerd nanomagnesiumhydride voor efficiënte waterstofopslag

Ultrasoon bereide magnesiumhydride-nanodeeltjes bereiken reversibiliteit bij omgevingstemperatuur met een reversibele waterstofopslag van 6,7 wt%
Het gebruik van lichte metaalhydriden als dragers voor waterstofopslag is een veelbelovende aanpak voor de veilige en efficiënte opslag van waterstof. Eén specifiek metaalhydride, magnesiumhydride (MgH2), heeft veel belangstelling gewekt vanwege het hoge waterstofgehalte en de ruime aanwezigheid van magnesium in de natuur. Bulk-MgH2 heeft echter als nadeel dat het stabiel is en alleen waterstof afgeeft bij zeer hoge temperaturen van meer dan 300°C. Dit is onpraktisch en inefficiënt voor toepassingen die verband houden met waterstofopslag.
Zhang et al. (2020) onderzochten de mogelijkheid van reversibele waterstofopslag bij omgevingstemperatuur door ultrafijne nanodeeltjes van MgH₂ te creëren. Ze gebruikten sonicatie om een metatheseproces te initiëren, dat in feite een dubbel ontledingsproces is. Sonicatie werd toegepast op een slurry bestaande uit vloeistof en vaste stoffen met als doel nanodeeltjes te creëren. Deze nanodeeltjes werden zonder aanvullende ondersteunende structuren met succes geproduceerd, met afmetingen die voornamelijk rond 4–5 nm lagen. Voor deze nanodeeltjes maten zij een reversibele waterstofopslagcapaciteit van 6,7 wt% bij 30°C, een aanzienlijke prestatie die niet eerder was aangetoond. Dit werd mogelijk gemaakt door thermodynamische destabilisatie en verlaagde kinetische barrières. De onbedekte nanodeeltjes vertoonden ook stabiel en snel waterstofcycleringsgedrag gedurende 50 cycli bij 150°C, een opmerkelijke verbetering ten opzichte van bulk-MgH₂. Deze bevindingen presenteren sonicatie als een potentiële behandeling die leidt tot een hogere efficiëntie van MgH₂ voor waterstofopslag.
(vgl. Zhang et al. 2020)

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

Sonicatoren met hoge prestaties voor de behandeling van magnesiumhydride

Sonochemie – de toepassing van krachtig ultrageluid op chemische reacties – is een betrouwbare verwerkingstechnologie die syntheses, katalytische reacties en andere heterogene reacties vergemakkelijkt en versnelt. Het assortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige scala van compacte laboratoriumsonicatoren tot industriële sonochemische systemen voor allerlei chemische toepassingen, zoals de hydrolyse van magnesiumhydride en het malen tot nanoschaal / nanostructureren ervan. Hierdoor kunnen wij bij Hielscher u de meest geschikte sonicator voor uw beoogde MgH2-proces aanbieden. Onze medewerkers met jarenlange ervaring ondersteunen u vanaf haalbaarheidstests en procesoptimalisatie tot de installatie van uw ultrasone systeem op het uiteindelijke productieniveau.
Dankzij het kleine vloeroppervlak dat onze ultrasone homogenisatoren innemen en hun veelzijdige installatiemogelijkheden passen ze zelfs in verwerkingsfaciliteiten met weinig ruimte. Ultrasone processoren zijn wereldwijd geïnstalleerd in productiefaciliteiten voor fijnchemie, petrochemie en nanomaterialen.

Batch en inline

De sonochemische apparatuur van Hielscher kan worden gebruikt voor batchverwerking en continue doorstroomverwerking. Ultrasone batchverwerking is ideaal voor procestests, optimalisatie en productie op kleine tot middelgrote schaal. Voor het produceren van grote hoeveelheden materialen kan inlineverwerking voordeliger zijn. Een continu mengproces met inlineverwerking vereist een geavanceerde opstelling – bestaande uit een pomp, slangen of leidingen en tanks – maar is zeer efficiënt, snel en vergt aanzienlijk minder arbeid. Hielscher Ultrasonics heeft de meest geschikte sonochemische opstelling voor uw sonosynthesereactie, verwerkingsvolume en doelstellingen.

Ultrasone sondes en reactoren voor MgH₂-hydrolyse op elke schaal

Het productassortiment van Hielscher Ultrasonics omvat het volledige spectrum van ultrasone processoren, van compacte laboratoriumsonicatoren via tafelmodellen en pilotsystemen tot volledig industriële ultrasone processoren met de capaciteit om vrachtwagenladingen per uur te verwerken. Dankzij het volledige productassortiment kunnen wij u de meest geschikte ultrasone homogenisator voor uw procescapaciteit en productiedoelstellingen aanbieden.
Ultrasone tafelmodellen zijn ideaal voor haalbaarheidstests en procesoptimalisatie. Lineaire opschaling op basis van vastgestelde procesparameters maakt het zeer eenvoudig om de verwerkingscapaciteit te verhogen van kleinere batches tot volledig commerciële productie. Opschaling kan worden uitgevoerd door een krachtigere ultrasone eenheid te installeren of door meerdere sonicatoren parallel te clusteren. Met de UIP16000 biedt Hielscher de krachtigste ultrasone homogenisator ter wereld.

Nauwkeurig regelbare amplitudes voor optimale resultaten

Alle sonicatoren van Hielscher 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 Bij alle processoren van Hielscher Ultrasonics kan de amplitude nauwkeurig worden ingesteld. Sonotrodes en boosterhoorns zijn accessoires waarmee de amplitude over een nog groter bereik kan worden aangepast. De industriële ultrasone processoren van Hielscher kunnen zeer hoge amplitudes leveren en bieden de vereiste ultrasone intensiteit voor veeleisende toepassingen. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf.
Nauwkeurige amplitude-instellingen en de permanente bewaking van de ultrasone procesparameters via slimme software bieden u de mogelijkheid om uw reagentia onder de meest effectieve ultrasone omstandigheden te behandelen. Optimale sonicatie voor een uitstekende chemische omzettingsgraad!
De robuustheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maakt 24/7-bedrijf onder zware belasting en in veeleisende omgevingen mogelijk. Hierdoor zijn de sonicatoren van Hielscher een betrouwbaar hulpmiddel dat aan de eisen van uw chemische proces voldoet.

Hoogste kwaliteit – ontworpen en vervaardigd in Duitsland

Als familiebedrijf dat door de familie wordt geleid, geeft Hielscher prioriteit aan de hoogste kwaliteitsnormen voor zijn ultrasone processoren. Alle sonicatoren worden ontworpen, vervaardigd en grondig getest in ons hoofdkantoor in Teltow bij Berlijn, Duitsland. De robuustheid en betrouwbaarheid van de ultrasone apparatuur van Hielscher maken deze tot een werkpaard in uw productie. 24/7-bedrijf onder volledige belasting en in veeleisende omgevingen is een vanzelfsprekende eigenschap van de mengers met hoge prestaties van Hielscher.
De industriële ultrasone processoren van Hielscher Ultrasonics kunnen zeer hoge amplitudes leveren. Amplitudes tot 200µm kunnen eenvoudig continu worden toegepast bij 24/7-bedrijf. Voor nog hogere amplitudes zijn op maat gemaakte ultrasone sonotrodes beschikbaar.

De onderstaande tabel geeft u een indicatie van de geschatte verwerkingscapaciteit van onze sonicatoren: