Wodorek magnezu o rozmiarach nanometrycznych jako wydajny materiał do magazynowania wodoru

Sonikację stosuje się do wodorku magnezu w celu przyspieszenia jego hydrolizy i zwiększenia wytwarzania wodoru. Ponadto wodorek magnezu nanostrukturyzowany ultradźwiękowo, tj. nanocząstki MgH₂, wykazuje zwiększoną pojemność magazynowania wodoru.

Wodorek magnezu do magazynowania wodoru

Wodorek magnezu, MgH₂, wzbudził szerokie zainteresowanie jako materiał do magazynowania wodoru. Jego główne zalety to obfitość surowca, wysoka wydajność, niewielka masa, niski koszt i bezpieczeństwo. W porównaniu z innymi wodorkami nadającymi się do magazynowania wodoru MgH₂ zapewnia najwyższe gęstości magazynowania wodoru, sięgające 7,6 wt %. Wodór można magazynować w Mg w postaci wodorków metali na bazie Mg. Proces syntezy MgH₂ jest znany jako chemisorpcja dysocjacyjna. Powszechną metodą otrzymywania wodorku metalu na bazie Mg z Mg i H2 jest jego tworzenie w temperaturze 300–400°C i przy ciśnieniu wodoru 2,4–40 MPa. Równanie reakcji tworzenia ma następującą postać: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Obróbka w wysokiej temperaturze wiąże się ze znaczną degradacją wodorków, obejmującą rekrystalizację, segregację faz, aglomerację nanocząstek itp. Ponadto wysokie temperatury i ciśnienia sprawiają, że tworzenie MgH2 jest energochłonne, złożone, a tym samym kosztowne.

Ultradźwiękowa hydroliza wodorku magnezu

Hiroi i in. (2011) wykazali, że sonikacja nanocząstek i nanowłókien MgH₂ intensyfikuje reakcję hydrolizy MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. W tym badaniu nanowłókna MgH₂ wykazały maksymalną pojemność magazynowania wodoru wynoszącą 14,4 mass% w temperaturze pokojowej. Ponadto badacze wykazali, że połączenie sonikacji i hydrolizy MgH₂ jest wysoce skuteczne w wydajnym wytwarzaniu wodoru bez ogrzewania i dodawania jakiegokolwiek środka chemicznego. Stwierdzili również, że ultradźwięki o niskiej częstotliwości były najwydajniejszą metodą uzyskiwania wysokiego stopnia konwersji. Szybkość hydrolizy podczas sonikacji o niskiej częstotliwości „osiągnęła aż 76% pod względem stopnia przereagowania po 7,2 ks przy częstotliwości ultradźwięków 28 kHz. Wartość ta była ponad 15 razy większa od wartości uzyskanej dla próbki niepoddanej sonikacji, co wskazuje na równoważną gęstość wodoru wynoszącą 11,6 mass% w odniesieniu do masy MgH₂”.
Wyniki wykazały, że ultradźwięki intensyfikują reakcję hydrolizy MgH₂ poprzez zwiększenie stałej szybkości reakcji wskutek wytwarzania rodników oraz złuszczanie pasywnej warstwy Mg(OH)₂ pokrywającej nieprzereagowany MgH₂ wskutek wytwarzania dużych sił ścinających. (Hiroi i in. 2011)

Problem: powolna hydroliza wodorku magnezu

Badano wspomaganie hydrolizy wodorku magnezu poprzez mielenie w młynie kulkowym, obróbkę gorącą wodą lub dodatki chemiczne, lecz nie stwierdzono, aby metody te znacząco zwiększały stopień konwersji chemicznej. W przypadku dodawania substancji chemicznych dodatki takie jak środki buforujące, środki chelatujące i wymieniacze jonowe, które pomagały zapobiegać tworzeniu się pasywującej warstwy Mg(OH)₂, powodowały powstawanie zanieczyszczeń w procesie cyklicznym post-Mg.

Rozwiązanie: ultradźwiękowe dyspergowanie wodorku magnezu

Ultradźwiękowe dyspergowanie i mielenie na mokro to wysoce wydajna technika wytwarzania cząstek i kryształów o rozmiarach nanometrycznych i bardzo wąskiej krzywej rozkładu. Równomierne dyspergowanie wodorku magnezu w postaci cząstek o rozmiarach nanometrycznych znacznie zwiększa aktywną powierzchnię. Ponadto sonikacja usuwa warstwy pasywujące i zwiększa transport masy, zapewniając wyższe stopnie konwersji chemicznej. Ultradźwiękowe mielenie, dyspergowanie, deaglomeracja i oczyszczanie powierzchni cząstek przewyższają inne techniki mielenia pod względem wydajności, niezawodności i prostoty.

Ultradźwiękowe mielenie na mokro i dyspergowanie to wysoce wydajna metoda zmniejszania rozmiarów cząstek, np. wodorku magnezu

Nanostrukturyzowany wodorek magnezu jako ulepszony materiał do magazynowania wodoru

Udowodniono naukowo, że nanostrukturyzacja wodorków magnezu jest skuteczną strategią umożliwiającą jednoczesną poprawę właściwości termodynamicznych i kinetycznych absorpcji/desorpcji MgH2. Struktury na bazie magnezu o rozmiarach nanometrycznych / strukturze nanometrycznej, takie jak nanocząstki i nanowłókna MgH2, można dodatkowo udoskonalić poprzez zmniejszenie rozmiarów cząstek i ziaren, obniżając tym samym entalpię tworzenia ich wodorku ΔH. Obliczenia wykazały, że bariera reakcji rozkładu MgH2 o rozmiarach nanometrycznych była znacznie niższa niż dla litego MgH2, co wskazuje, że kształtowanie nanostruktury MgH2 sprzyja poprawie właściwości użytkowych pod względem termodynamicznym i kinetycznym. (por. Ren i in., 2023)

Porównanie barier energetycznych absorpcji i desorpcji wodoru w litym MgH₂ oraz nanostrukturyzowanym, ultradrobnym MgH₂.
(badanie i wykres: ©Zhang i in., 2020)

Ultradźwiękowe zmniejszanie rozmiarów do skali nanometrycznej i nanostrukturyzacja wodorku magnezu

Nanostrukturyzacja ultradźwiękowa jest wysoce skuteczną techniką, która umożliwia zmianę termodynamiki wodorku magnezu bez wpływu na pojemność wodorową. Ultradrobne nanocząstki MgH₂ wykazują znacznie zwiększoną zdolność desorpcji wodoru. Zmniejszanie rozmiarów wodorku magnezu do skali nanometrycznej pozwala znacznie obniżyć temperaturę absorpcji/desorpcji wodoru i zwiększyć szybkość ponownego uwodornienia/odwodornienia MgH₂ dzięki wprowadzaniu defektów, skracaniu dróg dyfuzji wodoru, zwiększaniu liczby miejsc zarodkowania i destabilizacji wiązań Mg–H.
Prosta obróbka sonochemiczna umożliwia tworzenie wodorków o niskiej energii, szczególnie w przypadku obróbki cząstek magnezu. Na przykład Baidukova i in. (2026) wykazali możliwość tworzenia wodorków o niskiej energii w porowatej matrycy magnez–wodorotlenek magnezu poprzez sonochemiczną obróbkę cząstek magnezu w zawiesinach wodnych.

Nanometryczny wodorek magnezu syntezowany sonochemicznie do wydajnego magazynowania wodoru

Nanocząstki wodorku magnezu otrzymane ultradźwiękowo osiągają odwracalność magazynowania wodoru na poziomie 6,7 wt% w temperaturze otoczenia
Wykorzystanie wodorków metali lekkich jako nośników do magazynowania wodoru jest obiecującym podejściem do bezpiecznego i wydajnego magazynowania wodoru. Jeden z takich wodorków metali, wodorek magnezu (MgH2), wzbudził znaczne zainteresowanie ze względu na wysoką zawartość wodoru i obfitość magnezu w przyrodzie. Wadą litego MgH2 jest jednak jego stabilność – uwalnia wodór wyłącznie w bardzo wysokich temperaturach, przekraczających 300°C. Jest to niepraktyczne i niewydajne w zastosowaniach związanych z magazynowaniem wodoru.
Zhang i in. (2020) badali możliwość odwracalnego magazynowania wodoru w temperaturze otoczenia poprzez wytwarzanie ultradrobnych nanocząstek MgH₂. Zastosowali sonikację w celu zainicjowania procesu metatezy, który jest w istocie procesem podwójnej wymiany. Sonikacji poddano zawiesinę złożoną z cieczy i ciał stałych w celu wytworzenia nanocząstek. Nanocząstki te, bez jakichkolwiek dodatkowych struktur rusztowania, udało się otrzymać w rozmiarach przeważnie około 4–5 nm. Dla tych nanocząstek zmierzono odwracalną pojemność magazynowania wodoru wynoszącą 6,7 wt% w temperaturze 30°C, co stanowi znaczące osiągnięcie, którego wcześniej nie wykazano. Umożliwiły to destabilizacja termodynamiczna i obniżenie barier kinetycznych. Nanocząstki bez dodatkowych struktur wykazały również stabilny i szybki przebieg cyklicznego magazynowania i uwalniania wodoru podczas 50 cykli w temperaturze 150°C, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z litym MgH₂. Wyniki te wskazują, że sonikacja jest potencjalną metodą obróbki prowadzącą do zwiększenia wydajności MgH₂ w magazynowaniu wodoru.
(por. Zhang i in. 2020)

Rozkład wielkości cząstek ultradrobnego MgH₂ otrzymanego po sonikacji.
(badanie i wykres: ©Zhang i in., 2020)

Wysokowydajne sonikatory do obróbki wodorku magnezu

Sonochemia – zastosowanie ultradźwięków dużej mocy do reakcji chemicznych – jest niezawodną technologią przetwarzania, która ułatwia i przyspiesza syntezy, reakcje katalityczne oraz inne reakcje heterogeniczne. Oferta Hielscher Ultrasonics obejmuje pełny zakres urządzeń, od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych po przemysłowe systemy sonochemiczne do wszelkiego rodzaju zastosowań chemicznych, takich jak hydroliza wodorku magnezu oraz jego mielenie do skali nanometrycznej / nanostrukturyzacja. Dzięki temu w Hielscher możemy zaoferować Państwu sonikator najlepiej dopasowany do planowanego procesu z udziałem MgH2. Nasz personel z wieloletnim doświadczeniem będzie wspierać Państwa od badań wykonalności i optymalizacji procesu po instalację systemu ultradźwiękowego na docelowym poziomie produkcji.
Niewielka powierzchnia zajmowana przez nasze homogenizatory ultradźwiękowe oraz różnorodność możliwości ich instalacji sprawiają, że mieszczą się one nawet w zakładach przetwórczych o ograniczonej przestrzeni. Procesory ultradźwiękowe są instalowane na całym świecie w zakładach produkcji specjalistycznych substancji chemicznych, petrochemikaliów i nanomateriałów.

Przetwarzanie wsadowe i w linii

Urządzenia sonochemiczne Hielscher można wykorzystywać do przetwarzania wsadowego i ciągłego przetwarzania przepływowego. Ultradźwiękowe przetwarzanie wsadowe jest idealne do testowania i optymalizacji procesów oraz produkcji na małą i średnią skalę. Przy produkcji dużych ilości materiałów przetwarzanie w linii może być korzystniejsze. Ciągły proces mieszania w linii wymaga zaawansowanego układu – składającego się z pompy, węży lub rur oraz zbiorników – ale jest wysoce wydajny, szybki i wymaga znacznie mniej pracy. Hielscher Ultrasonics oferuje układ sonochemiczny najlepiej dopasowany do Państwa reakcji sonosyntezy, objętości przetwarzania i celów.

Sonotrody i reaktory ultradźwiękowe do hydrolizy MgH₂ w dowolnej skali

Oferta Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych sonikatorów laboratoryjnych, przez systemy stołowe i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe zdolne przetwarzać w ciągu godziny ilości materiału odpowiadające ładunkom ciężarówek. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować Państwu homogenizator ultradźwiękowy najlepiej dopasowany do wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Stołowe systemy ultradźwiękowe są idealne do badań wykonalności i optymalizacji procesów. Liniowe zwiększanie skali na podstawie ustalonych parametrów procesu sprawia, że zwiększanie wydajności przetwarzania od mniejszych partii do produkcji w pełnej skali komercyjnej jest bardzo łatwe. Skalę można zwiększyć poprzez instalację urządzenia ultradźwiękowego o większej mocy lub równoległe połączenie kilku sonikatorów w zespół. Dzięki UIP16000 Hielscher oferuje homogenizator ultradźwiękowy o największej mocy na świecie.

Precyzyjnie regulowane amplitudy dla optymalnych wyników

Wszystkie sonikatory Hielscher umożliwiają precyzyjne sterowanie, dzięki czemu są niezawodnymi urządzeniami do intensywnej pracy w produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu wpływających na wydajność i skuteczność reakcji sonochemicznych. Wszystkie procesory Hielscher Ultrasonics umożliwiają precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i wzmacniacze amplitudy to akcesoria umożliwiające zmianę amplitudy w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy i wymaganą intensywność ultradźwięków w wymagających zastosowaniach. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać nieprzerwanie podczas pracy w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania umożliwiają obróbkę reagentów w najskuteczniejszych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonikacja zapewniająca wyjątkowy stopień konwersji chemicznej!
Wytrzymałość urządzeń ultradźwiękowych Hielscher umożliwia pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach. Dzięki temu sonikatory Hielscher są niezawodnymi narzędziami pracy spełniającymi wymagania Państwa procesów chemicznych.

Najwyższa jakość – zaprojektowane i wyprodukowane w Niemczech

Jako przedsiębiorstwo będące własnością rodziny i przez nią zarządzane, Hielscher nadaje priorytet najwyższym standardom jakości swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie sonikatory są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Wytrzymałość i niezawodność urządzeń ultradźwiękowych Hielscher sprawiają, że są one urządzeniami do intensywnej pracy w Państwa produkcji. Praca w trybie 24/7 pod pełnym obciążeniem i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych mieszalników Hielscher.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą zapewniać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200µm można z łatwością utrzymywać nieprzerwanie podczas pracy w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są sonotrody ultradźwiękowe dostosowane do indywidualnych potrzeb.

Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych sonikatorów: