Nanorozmiarowy wodorek magnezu jako wydajny magazyn wodoru
Sonikacja jest stosowana do wodorku magnezu w celu przyspieszenia hydrolizy wodorku magnezu w celu zwiększenia wytwarzania wodoru. Dodatkowo, ultradźwiękowo nanostrukturalny wodorek magnezu, tj. nanocząstki MgH2, wykazują lepszą zdolność magazynowania wodoru.
Wodorek magnezu do przechowywania wodoru
Wodorek magnezu, MgH2zwrócił na siebie uwagę jako opcja do przechowywania wodoru. Jego głównymi zaletami są obfite zasoby, wysoka wydajność, niewielka waga, niski koszt i bezpieczeństwo. W porównaniu do innych wodorków nadających się do magazynowania wodoru, MgH2 ma najwyższą gęstość magazynowania wodoru do 7,6% wag. Wodór może być przechowywany w Mg w postaci wodorków metali na bazie Mg. Proces syntezy MgH2 jest znany jako chemisorpcja dysocjacyjna. Powszechną metodą wytwarzania wodorków metali na bazie Mg z Mg i H2 jest formowanie w temperaturze 300-400°C i ciśnieniu wodoru 2,4-40 MPa. Równanie tworzenia wygląda następująco: Mg + H2 MgH2
Wysoka obróbka cieplna wiąże się ze znacznymi efektami degradacji wodorków, takimi jak rekrystalizacja, segregacja faz, aglomeracja nanocząstek itp. Ponadto wysokie temperatury i ciśnienia sprawiają, że tworzenie MgH2 jest energochłonne, złożone, a tym samym kosztowne.
Hydroliza ultradźwiękowa wodorku magnezu
Hiroi et al. (2011) wykazali, że sonikacja nanocząstek i nanowłókien MgH2 zintensyfikowała reakcję hydrolizy MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. W tym badaniu nanowłókna MgH2 wykazywały maksymalną zdolność magazynowania wodoru wynoszącą 14,4% masowych w temperaturze pokojowej. Ponadto naukowcy wykazali, że połączenie sonikacji i hydrolizy MgH2 jest znacznie skuteczne w wydajnym wytwarzaniu wodoru bez ogrzewania i dodawania jakichkolwiek środków chemicznych. Stwierdzili również, że ultradźwięki o niskiej częstotliwości były najbardziej skuteczną metodą w celu uzyskania wysokiego współczynnika konwersji. Szybkość hydrolizy przy sonikacji o niskiej częstotliwości "osiągnęła aż 76% pod względem stopnia reakcji przy 7,2 ks przy częstotliwości ultradźwiękowej 28 kHz. Wartość ta była ponad 15 razy większa od wartości uzyskanej w przypadku próbki nie poddanej sonikacji, co wskazuje na równoważną gęstość wodoru wynoszącą 11,6% masowych na podstawie masy MgH2".
Wyniki wykazały, że ultradźwięki wzmocnią reakcję hydrolizy MgH2 poprzez zwiększenie stałej szybkości reakcji z powodu generowania rodnika i złuszczania pasywnej warstwy Mg (OH) 2 nad nieprzereagowanym MgH2 z powodu generowania dużych sił ścinających. (Hiroi et al. 2011)
Problem: powolna hydroliza wodorku magnezu
Badano wspomaganie hydrolizy wodorku magnezu poprzez mielenie kulowe, uzdatnianie gorącej wody lub dodatki chemiczne, ale nie stwierdzono, aby zwiększały one szybkość konwersji chemicznej w znaczący sposób. Jeśli chodzi o dodawanie chemikaliów, dodatki chemiczne, takie jak środki buforujące, chelatory i wymieniacze jonowe, które pomogły zapobiec tworzeniu się pasywującej warstwy Mg(OH)2, powodowały powstawanie zanieczyszczeń w procesie po cyklizacji Mg.
Rozwiązanie: Ultradźwiękowe dyspergowanie wodorku magnezu
Dyspergowanie ultradźwiękowe i mielenie na mokro jest wysoce wydajną techniką wytwarzania nanocząstek i kryształów o bardzo wąskiej krzywej dystrybucji. Poprzez równomierne rozproszenie wodorku magnezu w nanorozmiarach, powierzchnia aktywna ulega znacznemu zwiększeniu. Ponadto, sonikacja usuwa warstwy pasywujące i zwiększa transfer masy w celu uzyskania lepszych współczynników konwersji chemicznej. Frezowanie ultradźwiękowe, dyspergowanie, deaglomeracja i czyszczenie powierzchni cząstek przewyższają inne techniki frezowania pod względem wydajności, niezawodności i prostoty.

Sonicator UIP1000hdT do ciągłego przetwarzania wodorku magnezu na linii produkcyjnej

Ultradźwiękowe mielenie na mokro i dyspergowanie jest wysoce wydajną metodą redukcji wielkości cząstek, np. wodorku magnezu.
Nanostrukturalny wodorek magnezu jako ulepszony magazyn wodoru
Naukowo udowodniono, że nanostrukturyzacja wodorków magnezu jest skuteczną strategią, która pozwala jednocześnie poprawić termodynamiczne i kinetyczne właściwości ab/de-sorpcji MgH2. Nanowymiarowe / nanostrukturalne struktury na bazie magnezu, takie jak nanocząstki MgH2 i nanowłókna, można dodatkowo ulepszyć poprzez zmniejszenie wielkości cząstek i ziaren, zmniejszając w ten sposób entalpię tworzenia wodorków ΔH. Obliczenia wykazały, że bariera reakcji rozkładu MgH2 w nanorozmiarach była znacznie niższa niż w przypadku MgH2 luzem, co wskazuje, że inżynieria nanostrukturalna MgH2 jest termodynamicznie i kinetycznie korzystna dla zwiększenia wydajności. (por. Ren et al., 2023)

Porównanie barier energetycznych dla absorpcji i desorpcji wodoru przez MgH2 i nanostrukturalny ultradrobny MgH2.
(badanie i wykres: ©Zhang et al., 2020)
Ultradźwiękowy nanosizing i nanostrukturyzacja wodorku magnezu
Nanostrukturyzacja ultradźwiękowa jest wysoce skuteczną techniką, która pozwala na zmianę termodynamiki wodorku magnezu bez wpływu na pojemność wodorową. Ultradrobne nanocząstki MgH2 wykazują znacznie lepszą zdolność desorpcji wodoru. Nanorozmiar wodorku magnezu jest sposobem na znaczne obniżenie temperatury ab-/de-sorpcji wodoru i zwiększenie szybkości ponownego/de-uwodornienia MgH2, dzięki wprowadzeniu defektów, skróceniu ścieżek dyfuzji wodoru, zwiększeniu liczby miejsc zarodkowania i destabilizacji wiązania Mg-H.
Prosta obróbka sonochemiczna zapewnia możliwość tworzenia niskoenergetycznych wodorków, szczególnie w przypadku obróbki cząstek magnezu. Na przykład Baidukova i in. (2026) wykazali możliwość tworzenia niskoenergetycznych wodorków w porowatej matrycy wodorotlenku magnezu i magnezu za pomocą sonochemicznej obróbki cząstek magnezu w zawiesinach wodnych.
Syntetyzowany sonochemicznie nanowodorek magnezu do wydajnego magazynowania wodoru
Ultradźwiękowo przygotowane nanocząstki wodorku magnezu osiągają odwracalność odwracalnego magazynowania wodoru w temperaturze otoczenia na poziomie 6,7% wag.
Wykorzystanie wodorków metali lekkich jako nośników wodoru jest obiecującym podejściem do bezpiecznego i wydajnego magazynowania wodoru. Jeden konkretny wodorek metalu, wodorek magnezu (MgH2), zyskał duże zainteresowanie ze względu na wysoką zawartość wodoru i obfitość magnezu w przyrodzie. Jednak MgH2 ma tę wadę, że jest stabilny, uwalniając wodór tylko w bardzo wysokich temperaturach przekraczających 300°C. Jest to niepraktyczne i nieefektywne dla zastosowań związanych z magazynowaniem wodoru.
Zhang et al. (2020) zbadali możliwość odwracalnego magazynowania wodoru w temperaturze otoczenia poprzez tworzenie ultradrobnych nanocząstek MgH2. Zastosowali oni sonikację w celu zainicjowania procesu metatezy, który w rzeczywistości jest procesem podwójnego rozkładu. Sonikację zastosowano do zawiesiny składającej się z cieczy i ciał stałych w celu utworzenia nanocząstek. Nanocząstki te, bez żadnych dodatkowych struktur rusztowania, zostały z powodzeniem wyprodukowane o rozmiarach głównie około 4-5 nm. W przypadku tych nanocząstek zmierzono odwracalną zdolność magazynowania wodoru na poziomie 6,7% mas. w temperaturze 30°C, co jest znaczącym osiągnięciem, którego wcześniej nie wykazano. Było to możliwe dzięki destabilizacji termodynamicznej i zmniejszeniu barier kinetycznych. Nieosłonięte nanocząstki wykazywały również stabilne i szybkie zachowanie wodoru podczas 50 cykli w temperaturze 150°C, co stanowi znaczną poprawę w porównaniu z masowym MgH2. Odkrycia te przedstawiają sonikację jako potencjalną obróbkę prowadzącą do wyższej wydajności MgH2 do magazynowania wodoru.
(por. Zhang et al. 2020)

Rozkład wielkości cząstek ultradrobnego MgH2 przygotowanego po sonikacji.
(badanie i wykres: ©Zhang et al., 2020)
- szybsza reakcja
- Wyższy współczynnik konwersji
- Nanostrukturalny MgH2
- Usuwanie warstw pasywujących
- Pełniejsza reakcja
- Zwiększony transfer masy
- Wyższe zyski
- Ulepszona sorpcja wodoru
Wysokowydajne ultradźwięki do obróbki wodorkiem magnezu
przyspieszenie reakcji chemycznych (sonochemia). – zastosowanie ultradźwięków do reakcji chemicznych – to niezawodna technologia przetwarzania, która ułatwia i przyspiesza syntezy, reakcje katalityczne i inne reakcje heterogeniczne. Portfolio Hielscher Ultrasonics obejmuje pełen zakres od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych po przemysłowe systemy sonochemiczne do wszelkiego rodzaju zastosowań chemicznych, takich jak hydroliza wodorku magnezu i jego nanomielenie / nanostrukturyzacja. To pozwala nam w Hielscher zaoferować najbardziej odpowiedni ultrasonicator dla przewidywanego procesu MgH2. Nasz długoletni doświadczony personel pomoże Ci od testów wykonalności i optymalizacji procesu do instalacji systemu ultradźwiękowego na końcowym poziomie produkcji.
Niewielkie rozmiary naszych homogenizatorów ultradźwiękowych, a także ich wszechstronność w zakresie opcji instalacji sprawiają, że pasują one nawet do niewielkich zakładów przetwórczych. Procesory ultradźwiękowe są instalowane na całym świecie w zakładach chemii precyzyjnej, petrochemii i produkcji nanomateriałów.
wsadowe i inline
Sprzęt sonochemiczny firmy Hielscher może być wykorzystywany do przetwarzania wsadowego i ciągłego. Ultradźwiękowa obróbka wsadowa jest idealna do testowania procesów, optymalizacji i produkcji na małym i średnim poziomie. W przypadku produkcji dużych ilości materiałów, przetwarzanie inline może być bardziej korzystne. Ciągły proces mieszania w linii wymaga zaawansowanej konfiguracji – składający się z pompy, węży lub rur i zbiorników - ale jest bardzo wydajny, szybki i wymaga znacznie mniej pracy. Hielscher Ultrasonics ma najbardziej odpowiednią konfigurację sonochemiczną dla reakcji sonosyntezy, objętości przetwarzania i celów.
Sondy ultradźwiękowe i reaktory do hydrolizy MgH2 w dowolnej skali
Asortyment produktów Hielscher Ultrasonics obejmuje pełne spektrum procesorów ultradźwiękowych, od kompaktowych ultrasonografów laboratoryjnych, przez systemy stacjonarne i pilotażowe, po w pełni przemysłowe procesory ultradźwiękowe o wydajności przetwarzania ciężarówek na godzinę. Pełna gama produktów pozwala nam zaoferować najbardziej odpowiedni homogenizator ultradźwiękowy dla wydajności procesu i celów produkcyjnych.
Ultradźwiękowe systemy stacjonarne są idealne do testowania wykonalności i optymalizacji procesów. Liniowe skalowanie w oparciu o ustalone parametry procesu bardzo ułatwia zwiększenie zdolności przetwarzania z mniejszych partii do w pełni komercyjnej produkcji. Skalowanie w górę można wykonać, instalując mocniejszą jednostkę ultradźwiękową lub grupując równolegle kilka ultrasonicatorów. Dzięki UIP16000 firma Hielscher oferuje najpotężniejszy homogenizator ultradźwiękowy na świecie.
Precyzyjnie kontrolowane amplitudy dla optymalnych wyników
Wszystkie ultradźwięki Hielscher są precyzyjnie sterowane, a tym samym niezawodne w produkcji. Amplituda jest jednym z kluczowych parametrów procesu, które wpływają na wydajność i skuteczność reakcji sonochemicznych Wszystkie procesory Hielscher Ultrasonics umożliwiają precyzyjne ustawienie amplitudy. Sonotrody i rogi wzmacniające to akcesoria, które pozwalają modyfikować amplitudę w jeszcze szerszym zakresie. Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy i zapewniać wymaganą intensywność ultradźwięków w wymagających zastosowaniach. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7.
Precyzyjne ustawienia amplitudy i stałe monitorowanie parametrów procesu ultradźwiękowego za pomocą inteligentnego oprogramowania dają możliwość leczenia odczynników w najbardziej efektywnych warunkach ultradźwiękowych. Optymalna sonikacja dla wyjątkowego współczynnika konwersji chemicznej!
Wytrzymałość sprzętu ultradźwiękowego firmy Hielscher pozwala na pracę w trybie 24/7 przy dużych obciążeniach i w wymagających środowiskach. To sprawia, że sprzęt ultradźwiękowy Hielscher jest niezawodnym narzędziem pracy, które spełnia wymagania procesu chemicznego.
Najwyższa jakość – Zaprojektowany i wyprodukowany w Niemczech
Jako firma rodzinna, Hielscher priorytetowo traktuje najwyższe standardy jakości dla swoich procesorów ultradźwiękowych. Wszystkie ultradźwięki są projektowane, produkowane i dokładnie testowane w naszej siedzibie w Teltow koło Berlina w Niemczech. Solidność i niezawodność sprzętu ultradźwiękowego Hielscher sprawiają, że jest to koń roboczy w Twojej produkcji. Praca 24/7 pod pełnym obciążeniem i w wymagających środowiskach jest naturalną cechą wysokowydajnych mikserów Hielscher.
Przemysłowe procesory ultradźwiękowe Hielscher Ultrasonics mogą dostarczać bardzo wysokie amplitudy. Amplitudy do 200 µm mogą być łatwo stale uruchamiane w trybie 24/7. Dla jeszcze wyższych amplitud dostępne są niestandardowe sonotrody ultradźwiękowe.
Poniższa tabela przedstawia przybliżoną wydajność przetwarzania naszych ultradźwiękowców:
Wielkość partii | natężenie przepływu | Polecane urządzenia |
---|---|---|
1 do 500mL | 10-200mL/min | UP100H |
10 do 2000mL | 20-400mL/min | UP200Ht, UP400St |
0.1 do 20L | 0.2 do 4L/min | UIP2000hdT |
10-100L | 2 do 10L/min | UIP4000hdT |
15 do 150 l | 3 do 15 l/min | UIP6000hdT |
b.d. | 10-100L/min | UIP16000 |
b.d. | większe | klaster UIP16000 |
Skontaktuj się z nami! / Zapytaj nas!
Literatura / Referencje
- Zhang, Xin; Liu, Yongfeng; Zhuanghe, Ren; Zhang, Xuelian ; Hu, Jianjiang; Huang, Zhenguo; Lu, Y.H.; Gao, Mingxia; Pan, Hongge (2020): Realizing 6.7 wt% reversible storage of hydrogen at ambient temperature with non-confined ultrafine magnesium hydride. Energy & Environmental Science 2020.
- Skorb, Katja; Baidukova, Olga; Moehwald, Helmuth; Mazheika, Aliaksei; Sviridov, Dmitry; Palamarciuc, Tatiana; Weber, Birgit; Cherepanov, Pavel; Andreeva, Daria (2015): Sonogenerated Metal-Hydrogen Sponges for Reactive Hard Templating. Chemical Communications 51(36), 2016.
- Olga Baidukova, Ekaterina V. Skorb (2016): Ultrasound-assisted synthesis of magnesium hydroxide nanoparticles from magnesium. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 31, 2016. 423-428.
- Nadzeya Brezhneva, Nikolai V. Dezhkunov, Sviatlana A. Ulasevich, Ekaterina V. Skorb (2021): Characterization of transient cavitation activity during sonochemical modification of magnesium particles. Ultrasonics Sonochemistry, Volume 70, 2021.
- Shun Hiroi, Sou Hosokai, Tomohiro Akiyama (2011): Ultrasonic irradiation on hydrolysis of magnesium hydride to enhance hydrogen generation. International Journal of Hydrogen Energy, Volume 36, Issue 2, 2011. 1442-1447.
- Ren L, Li Y, Zhang N, Li Z, Lin X, Zhu W, Lu C, Ding W, Zou J. (2023): Nanostructuring of Mg-Based Hydrogen Storage Materials: Recent Advances for Promoting Key Applications. Nano-Micro Letters 15, 93; 2023.
- Brad W. Zeiger; Kenneth S. Suslick (2011): Sonofragmentation of Molecular Crystals. J. Am. Chem. Soc. 2011, 133, 37, 14530–14533.
Fakty, które warto znać
Zalety wodorku magnezu do magazynowania wodoru
- Idealny, zrównoważony grawimetryczny
- Doskonała gęstość energii objętościowej
- Niedrogi
- Obficie dostępne
- Łatwa obsługa (nawet w powietrzu)
- Możliwa jest bezpośrednia reakcja z wodą
- Kinetyka reakcji może być dostosowana do konkretnych zastosowań
- Wysokie bezpieczeństwo reakcji i produktu
- Nietoksyczny i bezpieczny w użyciu
- przyjazny dla środowiska
Czym jest wodorek magnezu?
Wodorek magnezu (MgH2(znany również jako dwuwodzian magnezu) ma strukturę tetragonalną i występuje w postaci bezbarwnego sześciennego kryształu lub białawego proszku. Jest on stosowany jako źródło wodoru w bateriach paliwowych o mocy poniżej 10 000 W. Ilość wodoru uwalnianego przez wodę jest wyższa niż 14,8% wagowych, co znacznie przewyższa ilość wodoru uwalnianego przez wysokociśnieniowy gazowy zbiornik wodoru (70 MPa, ~5,5% wagowych) i materiały do przechowywania wodoru z metali ciężkich (<2wt%). Co więcej, wodorek magnezu jest bezpieczny i wysoce wydajny, co czyni go obiecującą technologią efektywnego magazynowania wodoru. Hydroliza wodorku magnezu jest wykorzystywana jako system zasilania wodorem w ogniwach paliwowych z membraną protonowymienną (PEMFC), co znacznie poprawia gęstość energii systemu. Stałe / półstałe systemy akumulatorów paliwowych Mg-H o wysokiej gęstości energii są również w fazie rozwoju. Ich obiecującą zaletą jest gęstość energii 3-5 razy wyższa niż w przypadku akumulatorów litowo-jonowych.
Synonimy: Dwuwodnik magnezu, wodorek magnezu (klasa do przechowywania wodoru)
Używany jako materiał do przechowywania wodoru
Wzór cząsteczkowy: MgH2
Masa cząsteczkowa: 26,32 Gęstość: 1,45 g/ml
Temperatura topnienia:>250℃
Rozpuszczalność: nierozpuszczalny w normalnym roztworze organicznym

Ultradźwięki o wysokiej wydajności! Asortyment produktów Hielscher obejmuje pełne spektrum od kompaktowego ultrasonografu laboratoryjnego przez urządzenia stołowe po w pełni przemysłowe systemy ultradźwiękowe.