Hidreto de magnésio nano-dimensionado como armazenamento eficiente de hidrogénio

A sonicação é aplicada ao hidreto de magnésio a fim de acelerar a hidrólise do hidreto de magnésio para aumentar a produção de hidrogénio. Além disso, o hidreto de magnésio nanoestruturado por ultra-sons, ou seja, as nanopartículas de MgH2, apresentam uma melhor capacidade de armazenamento de hidrogénio.

Hidreto de magnésio para armazenamento de hidrogénio

Hidreto de magnésio, MgH₂tem atraído grande atenção como opção para o armazenamento de hidrogénio. As suas principais vantagens são a abundância de recursos, o elevado desempenho, a leveza, o baixo custo e a segurança. Em comparação com outros hidretos utilizáveis para o armazenamento de hidrogénio, o MgH₂ tem as densidades de armazenamento de hidrogénio mais elevadas, até 7,6 % em peso. O hidrogénio pode ser armazenado em Mg sob a forma de hidretos metálicos à base de Mg. O processo de síntese do MgH2 é conhecido como quimisorção dissociativa. Um método comum para produzir hidreto metálico à base de Mg a partir de Mg e H2 é a formação a uma temperatura de 300-400°C e a uma pressão de hidrogénio de 2,4-40 MPa. A equação de formação é a seguinte Mg + H₂ ⇌ MgH₂
O tratamento térmico elevado acarreta efeitos de degradação significativos dos hidretos, como a recristalização, a segregação de fases, a aglomeração de nanopartículas, etc. Além disso, as altas temperaturas e pressões tornam a formação de MgH2 intensiva em energia, complexa e, portanto, cara.

Hidrólise ultra-sónica de hidreto de magnésio

Hiroi et al. (2011) demonstraram que a sonicação de nano-partículas e nanofibras de MgH2 intensificou a reação de hidrólise MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. Neste estudo, as nanofibras de MgH2 exibiram uma capacidade máxima de armazenamento de hidrogénio de 14,4% em massa à temperatura ambiente. Além disso, os investigadores demonstraram que uma combinação de sonicação e hidrólise de MgH2 é consideravelmente eficaz para gerar hidrogénio de forma eficiente sem aquecimento e sem adição de qualquer agente químico. Descobriram também que os ultra-sons de baixa frequência eram o método mais eficiente para obter uma taxa de conversão elevada. A taxa de hidrólise em sonicação de baixa frequência "atingiu 76% em termos de grau de reação a 7,2 ks a uma frequência ultra-sónica de 28 kHz. Este valor foi mais de 15 vezes superior ao valor obtido no caso da amostra não sonicada, indicando uma densidade de hidrogénio equivalente de 11,6 massa% com base no peso de MgH2."
Os resultados revelaram que o ultrassom irá aumentar a reação de hidrólise de MgH2 aumentando a constante de taxa de reação devido à geração de radical e esfoliando a camada passiva de Mg (OH) 2 sobre o MgH2 não reagido devido à geração de grandes forças de cisalhamento. (Hiroi et al. 2011)

Problema: Hidrólise lenta do hidreto de magnésio

A promoção da hidrólise do hidreto de magnésio através da moagem de bolas, do tratamento com água quente ou de aditivos químicos foi investigada, mas não se verificou que aumentasse a taxa de conversão química de forma significativa. No que diz respeito à adição de produtos químicos, os aditivos químicos, tais como agentes tampão, quelantes e permutadores de iões, que ajudaram a evitar a formação de uma camada passivante de Mg(OH)2, produziram impurezas no processo de pós-ciclagem de Mg.

Solução: Dispersão ultra-sónica de hidreto de magnésio

A dispersão ultra-sónica e a moagem húmida são uma técnica altamente eficiente para produzir partículas e cristais de dimensão nanométrica com uma curva de distribuição muito estreita. Ao dispersar uniformemente o hidreto de magnésio em tamanho nanométrico, a área de superfície ativa aumenta significativamente. Além disso, a sonicação remove as camadas passivantes e aumenta a transferência de massa para taxas de conversão química superiores. A moagem por ultra-sons, a dispersão, a desaglomeração e a limpeza da superfície das partículas superam outras técnicas de moagem em termos de eficiência, fiabilidade e simplicidade.

A moagem húmida e dispersão por ultra-sons é um método altamente eficiente para a redução do tamanho das partículas, por exemplo, de hidreto de magnésio

Hidreto de magnésio nanoestruturado como armazenamento melhorado de hidrogénio

A nanoestruturação dos hidretos de magnésio provou cientificamente ser uma estratégia eficaz que permite melhorar simultaneamente as propriedades termodinâmicas e cinéticas de ab/de-sorção do MgH2. As estruturas nano-dimensionadas/nano-estruturadas à base de magnésio, tais como nanopartículas e nanofibras de MgH2, podem ser melhoradas através da redução da dimensão das partículas e dos grãos, diminuindo assim a entalpia de formação do hidreto ΔH. Os cálculos revelaram que a barreira de reação para a decomposição do MgH2 nanométrico é notavelmente inferior à do MgH2 a granel, o que indica que a engenharia da nanoestrutura do MgH2 é termodinâmica e cineticamente favorável ao aumento do desempenho. (cf. Ren et al., 2023)

Comparação das barreiras energéticas para a absorção e dessorção de hidrogénio do MgH2 em massa e do MgH2 ultrafino nanoestruturado.
(estudo e gráfico: ©Zhang et al., 2020)

Nanosizing ultra-sônico e nanoestruturação de hidreto de magnésio

A nanoestruturação ultra-sónica é uma técnica altamente eficaz que permite alterar a termodinâmica do hidreto de magnésio sem afetar a capacidade do hidrogénio. As nanopartículas ultrafinas de MgH2 apresentam uma capacidade de dessorção de hidrogénio significativamente melhorada. O nano-dimensionamento do hidreto de magnésio é uma forma de reduzir significativamente a temperatura de ab-de-sorção do hidrogénio e de aumentar a taxa de re-de-hidrogenação do MgH2, devido à introdução de defeitos, ao encurtamento dos caminhos de difusão do hidrogénio, ao aumento dos locais de nucleação e à desestabilização da ligação Mg-H.
Um simples tratamento sonoquímico oferece a possibilidade de formação de hidretos de baixa energia, particularmente, no caso do tratamento de partículas de magnésio. Por exemplo, Baidukova et al. (2026) demonstraram a possibilidade de formar hidretos de baixa energia em uma matriz porosa de hidróxido de magnésio-magnésio por meio do tratamento sonoquímico de partículas de magnésio em suspensões aquosas.

Nano-hidreto de magnésio sintetizado sonoquimicamente para um armazenamento eficiente de hidrogénio

Nanopartículas de hidreto de magnésio preparadas por ultra-sons atingem a reversibilidade à temperatura ambiente de 6,7 wt% de armazenamento reversível de hidrogénio
A utilização de hidretos de metais leves como transportadores para o armazenamento de hidrogénio é uma abordagem promissora para o armazenamento seguro e eficiente do hidrogénio. Um hidreto metálico em particular, o hidreto de magnésio (MgH2), tem suscitado grande interesse devido ao seu elevado teor de hidrogénio e à abundância de magnésio na natureza. No entanto, o MgH2 a granel tem a desvantagem de ser estável, libertando hidrogénio apenas a temperaturas muito elevadas, superiores a 300°C. Isto é pouco prático e ineficiente para aplicações relacionadas com o armazenamento de hidrogénio.
Zhang et al. (2020) investigaram a possibilidade de armazenamento reversível de hidrogénio à temperatura ambiente através da criação de nanopartículas ultrafinas de MgH2. Utilizaram a sonicação para iniciar um processo de metátese, que é efetivamente um processo de decomposição dupla. A sonicação foi aplicada a uma pasta constituída por líquido e sólidos com o objetivo de criar nanopartículas. Estas nanopartículas, sem quaisquer estruturas de suporte adicionais, foram produzidas com sucesso com tamanhos predominantemente à volta de 4-5 nm. Para estas nanopartículas, os y mediram uma capacidade de armazenamento reversível de hidrogénio de 6,7 wt% a 30°C , um resultado significativo que não tinha sido demonstrado anteriormente. Isto foi possível graças à desestabilização termodinâmica e à redução das barreiras cinéticas. As nanopartículas nuas também exibiram um comportamento estável e rápido de ciclo de hidrogénio durante 50 ciclos a 150°C, uma melhoria notável em comparação com o MgH2 a granel. Estes resultados apresentam a sonicação como um tratamento potencial que conduz a uma maior eficiência do MgH2 para o armazenamento de hidrogénio.
(cf. Zhang et al. 2020)

Distribuição do tamanho das partículas de MgH2 ultrafino preparado após sonicação.
(estudo e gráfico: ©Zhang et al., 2020)

Ultrasonicadores de alto desempenho para o tratamento de hidreto de magnésio

Sonoquímica – a aplicação de ultra-sons de potência às reacções químicas – é uma tecnologia de processamento fiável, que facilita e acelera as sínteses, reacções catalíticas e outras reacções heterogéneas. Hielscher Ultrasonics portfólio abrange toda a gama de ultrasonicators laboratório compacto para sistemas sonoquímicos industriais para todos os tipos de aplicações químicas, tais como a hidrólise de hidreto de magnésio e sua nano-milling / nano-estruturação. Isso permite-nos em Hielscher para oferecer-lhe o ultrasonicator mais adequado para o seu processo MgH2 previsto. O nosso pessoal experiente de longa data irá ajudá-lo a partir de testes de viabilidade e otimização de processos para a instalação do seu sistema de ultrassom no nível de produção final.
A pequena área ocupada pelos nossos homogeneizadores ultra-sónicos, bem como a sua versatilidade nas opções de instalação, fazem com que se adaptem mesmo a instalações de processamento de espaço reduzido. Os processadores ultra-sónicos são instalados em todo o mundo em instalações de produção de química fina, petroquímica e nano-materiais.

Em lote e em linha

O equipamento sonoquímico da Hielscher pode ser utilizado para processamento em lotes e em fluxo contínuo. O processamento ultrassónico por lotes é ideal para testes de processos, otimização e níveis de produção de pequena a média dimensão. Para uma produção de grandes volumes de materiais, o processamento em linha pode ser mais vantajoso. Um processo de mistura contínuo em linha requer uma configuração sofisticada – consistindo em uma bomba, mangueiras ou tubos e tanques -, mas é altamente eficiente, rápido e requer significativamente menos trabalho. A Hielscher Ultrasonics tem a configuração sonoquímica mais adequada para a sua reação de sono-síntese, volume de processamento e objectivos.

Sondas e Reactores Ultrassónicos para Hidrólise de MgH2 a Qualquer Escala

A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange todo o espetro de processadores de ultra-sons, desde ultra-sons compactos de laboratório, passando por sistemas de bancada e sistemas-piloto, até processadores de ultra-sons totalmente industriais com capacidade para processar cargas de camiões por hora. A gama completa de produtos permite-nos oferecer-lhe o homogeneizador de ultra-sons mais adequado para a sua capacidade de processo e objectivos de produção.
Os sistemas ultra-sónicos de bancada são ideais para testes de viabilidade e otimização de processos. O aumento de escala linear baseado em parâmetros de processo estabelecidos torna muito fácil aumentar as capacidades de processamento de lotes mais pequenos para uma produção totalmente comercial. O aumento de escala pode ser feito através da instalação de uma unidade ultra-sónica mais potente ou do agrupamento de vários ultra-sons em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece o homogeneizador ultrassónico mais potente do mundo.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados óptimos

Todos os ultrassons da Hielscher são controláveis com precisão e, por isso, cavalos de batalha fiáveis na produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia das reacções sonoquímicas Todos os processadores Hielscher Ultrasonics permitem a regulação precisa da amplitude. Os sonotrodos e as buzinas de reforço são acessórios que permitem modificar a amplitude numa gama ainda mais ampla. Os processadores ultrassónicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e fornecer a intensidade ultrassónica necessária para aplicações exigentes. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas de forma contínua em funcionamento 24/7.
As definições precisas da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de um software inteligente dão-lhe a possibilidade de tratar os seus reagentes com as condições ultra-sónicas mais eficazes. Sonicação ideal para uma excelente taxa de conversão química!
A robustez do equipamento de ultra-sons da Hielscher permite o funcionamento 24 horas por dia, 7 dias por semana, em serviço pesado e em ambientes exigentes. Isto faz com que o equipamento ultrassónico da Hielscher seja uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os requisitos do seu processo químico.

Qualidade mais elevada – Concebido e fabricado na Alemanha

Sendo uma empresa familiar, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultra-sónicos. Todos os ultrassons são concebidos, fabricados e rigorosamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento de ultra-sons da Hielscher fazem dele um cavalo de batalha na sua produção. A operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e em ambientes exigentes é uma caraterística natural dos misturadores de alto desempenho da Hielscher.
Os processadores ultra-sónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. Amplitudes de até 200µm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24/7. Para amplitudes ainda maiores, sonotrodos ultra-sônicos personalizados estão disponíveis.

O quadro seguinte dá-lhe uma indicação da capacidade de processamento aproximada dos nossos ultra-sons: