Hidreto de magnésio de dimensão nanométrica para armazenamento eficiente de hidrogénio

A sonicação é aplicada ao hidreto de magnésio para acelerar a sua hidrólise e aumentar a produção de hidrogénio. Além disso, o hidreto de magnésio nanoestruturado por ultrassons, ou seja, as nanopartículas de MgH₂, apresenta uma capacidade de armazenamento de hidrogénio melhorada.

Hidreto de magnésio para armazenamento de hidrogénio

O hidreto de magnésio, MgH₂, tem atraído muita atenção como opção para o armazenamento de hidrogénio. As suas principais vantagens são a abundância do recurso, o elevado desempenho, o baixo peso, o baixo custo e a segurança. Em comparação com outros hidretos utilizáveis para o armazenamento de hidrogénio, o MgH₂ apresenta as mais elevadas densidades de armazenamento de hidrogénio, até 7,6 wt %. O hidrogénio pode ser armazenado em Mg sob a forma de hidretos metálicos à base de Mg. O processo de síntese de MgH₂ é conhecido como quimissorção dissociativa. Um método comum para produzir hidreto metálico à base de Mg a partir de Mg e H2 é a sua 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 a alta temperatura provoca efeitos significativos de degradação dos hidretos, tais como recristalização, segregação de fases, aglomeração de nanopartículas, etc. Além disso, as temperaturas e pressões elevadas tornam a formação de MgH2 intensiva em energia, complexa e, por conseguinte, dispendiosa.

Hidrólise ultrassónica do hidreto de magnésio

Hiroi et al. (2011) demonstraram que a sonicação de nanopartículas e nanofibras de MgH₂ intensificava a reação de hidrólise MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. Neste estudo, as nanofibras de MgH₂ apresentaram a capacidade máxima de armazenamento de hidrogénio de 14,4 mass% à temperatura ambiente. Além disso, os investigadores demonstraram que a combinação de sonicação e hidrólise de MgH₂ é consideravelmente eficaz para produzir hidrogénio de forma eficiente sem aquecimento nem adição de qualquer agente químico. Verificaram também que os ultrassons de baixa frequência eram o método mais eficiente para obter uma elevada taxa de conversão. A taxa de hidrólise com sonicação de baixa frequência “atingiu um valor tão elevado como 76% em termos do grau de reação aos 7,2 ks, a uma frequência ultrassónica de 28 kHz. Este valor foi mais de 15 vezes superior ao obtido no caso da amostra não sonicada, indicando uma densidade equivalente de hidrogénio de 11,6 mass% com base no peso de MgH₂.”
Os resultados revelaram que os ultrassons irão intensificar a reação de hidrólise de MgH₂ através do aumento da constante de velocidade da reação devido à geração de radicais e da exfoliação da camada passiva de Mg(OH)₂ sobre o MgH₂ que não reagiu, devido à geração de elevadas forças de cisalhamento. (Hiroi et al. 2011)

Problema: hidrólise lenta do hidreto de magnésio

Foi investigada a promoção da hidrólise do hidreto de magnésio através de moagem em moinho de bolas, tratamento com água quente ou aditivos químicos, mas não se verificou um aumento significativo da taxa de conversão química. Quanto à adição de produtos químicos, os aditivos químicos, como agentes tampão, agentes quelantes e permutadores iónicos, que ajudavam a evitar a formação de uma camada passivante de Mg(OH)₂, produziram impurezas no processo de ciclagem post-Mg.

Solução: dispersão ultrassónica do hidreto de magnésio

A dispersão e a moagem por via húmida com ultrassons 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 dimensões nanométricas, a área superficial ativa aumenta significativamente. Além disso, a sonicação remove as camadas passivantes e aumenta a transferência de massa, permitindo taxas de conversão química superiores. A moagem, a dispersão, a desaglomeração e a limpeza da superfície das partículas por ultrassons superam outras técnicas de moagem em eficiência, fiabilidade e simplicidade.

A moagem por via húmida e a dispersão com ultrassons são um método altamente eficiente para reduzir o tamanho das partículas, por exemplo, de hidreto de magnésio

Hidreto de magnésio nanoestruturado para armazenamento melhorado de hidrogénio

Está cientificamente comprovado que a nanoestruturação dos hidretos de magnésio é uma estratégia eficaz que permite melhorar simultaneamente as propriedades termodinâmicas e cinéticas de absorção/dessorção do MgH2. As estruturas à base de magnésio de dimensão nanométrica / nanoestruturadas, como as nanopartículas e as nanofibras de MgH2, podem ser melhoradas ainda mais através da redução do tamanho das partículas e dos grãos, diminuindo assim a sua entalpia de formação de hidreto ΔH. Os cálculos revelaram que a barreira de reação para a decomposição de MgH2 de dimensão nanométrica era consideravelmente inferior à do MgH2 maciço, indicando que a engenharia da nanoestrutura de MgH2 é termodinâmica e cineticamente favorável à melhoria do desempenho. (cf. Ren et al., 2023)

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

Redução à escala nanométrica e nanoestruturação ultrassónicas do hidreto de magnésio

A nanoestruturação ultrassónica é uma técnica altamente eficaz que permite alterar a termodinâmica do hidreto de magnésio sem afetar a capacidade de hidrogénio. As nanopartículas ultrafinas de MgH₂ apresentam uma capacidade de dessorção de hidrogénio significativamente melhorada. A redução do hidreto de magnésio à escala nanométrica é uma forma de reduzir significativamente a temperatura de absorção/dessorção de hidrogénio e aumentar a velocidade de reidrogenação/desidrogenação do MgH₂, devido à introdução de defeitos, ao encurtamento dos percursos de difusão do hidrogénio, ao aumento dos locais de nucleação e à desestabilização da ligação Mg–H.
Um tratamento sonoquímico simples possibilita a 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 numa matriz porosa de magnésio–hidróxido de magnésio através do tratamento sonoquímico de partículas de magnésio em suspensões aquosas.

Nano-hidreto de magnésio sintetizado por sonoquímica para armazenamento eficiente de hidrogénio

As nanopartículas de hidreto de magnésio preparadas por ultrassons alcançam reversibilidade à temperatura ambiente com armazenamento reversível de hidrogénio de 6,7 wt%
A utilização de hidretos de metais leves como suportes para o armazenamento de hidrogénio é uma abordagem promissora para o armazenamento seguro e eficiente de hidrogénio. Um hidreto metálico em particular, o hidreto de magnésio (MgH2), tem despertado um interesse significativo devido ao seu elevado teor de hidrogénio e à abundância de magnésio na natureza. No entanto, o MgH2 maciço 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 dupla decomposição. A sonicação foi aplicada a uma suspensão 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 em torno de 4–5 nm. Para estas nanopartículas, 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 sem suporte também apresentaram um comportamento estável e rápido de ciclagem de hidrogénio durante 50 ciclos a 150°C, uma melhoria notável em comparação com o MgH₂ maciço. Estes resultados apresentam a sonicação como um tratamento potencial que conduz a uma maior eficiência do MgH₂ no 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)

Sonicadores de elevado desempenho para o tratamento do hidreto de magnésio

A sonoquímica – a aplicação de ultrassons de potência a reações químicas – é uma tecnologia de processamento fiável que facilita e acelera as sínteses, as reações catalíticas e outras reações heterogéneas. O portefólio da Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama, desde sonicadores compactos de laboratório até sistemas sonoquímicos industriais, para todos os tipos de aplicações químicas, como a hidrólise do hidreto de magnésio e a sua nanomoagem / nanoestruturação. Isto permite-nos, na Hielscher, oferecer-lhe o sonicador mais adequado ao processo de MgH2 que pretende realizar. A nossa equipa, com muitos anos de experiência, irá acompanhá-lo desde os ensaios de viabilidade e a otimização do processo até à instalação do seu sistema ultrassónico à escala de produção final.
As reduzidas dimensões dos nossos homogeneizadores ultrassónicos, bem como a versatilidade das suas opções de instalação, permitem integrá-los mesmo em instalações de processamento com pouco espaço. Os processadores ultrassónicos estão instalados em todo o mundo em unidades de produção de química fina, petroquímica e nanomateriais.

Por lotes e em linha

O equipamento sonoquímico Hielscher pode ser utilizado para processamento por lotes e em fluxo contínuo. O processamento ultrassónico por lotes é ideal para ensaios de processo, otimização e produção de pequena a média escala. Para produzir grandes volumes de materiais, o processamento em linha poderá ser mais vantajoso. Um processo de mistura contínua em linha requer uma configuração sofisticada – constituída por uma bomba, mangueiras ou tubagens e depósitos –, mas é altamente eficiente, rápido e requer significativamente menos mão de obra. A Hielscher Ultrasonics dispõe da configuração sonoquímica mais adequada à sua reação de sonossíntese, ao volume de processamento e aos seus objetivos.

Sondas e reatores ultrassónicos para hidrólise de MgH₂ a qualquer escala

A gama de produtos da Hielscher Ultrasonics abrange todo o espectro de processadores ultrassónicos, desde sonicadores compactos de laboratório, passando por sistemas de bancada e sistemas piloto, até processadores ultrassónicos totalmente industriais com capacidade para processar cargas de camião por hora. A gama completa de produtos permite-nos oferecer-lhe o homogeneizador ultrassónico mais adequado à capacidade do seu processo e aos seus objetivos de produção.
Os sistemas ultrassónicos de bancada são ideais para ensaios de viabilidade e otimização de processos. O aumento linear de escala com base em parâmetros de processo estabelecidos torna muito fácil aumentar as capacidades de processamento, desde lotes mais pequenos até à produção totalmente comercial. O aumento de escala pode ser realizado instalando uma unidade ultrassónica mais potente ou agrupando vários sonicadores em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece o homogeneizador ultrassónico mais potente do mundo.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados ótimos

Todos os sonicadores Hielscher são controláveis com precisão e, por isso, constituem equipamentos de trabalho fiáveis na produção. A amplitude é um dos parâmetros cruciais do processo que influenciam a eficiência e a eficácia das reações sonoquímicas Todos os processadores Hielscher Ultrasonics permitem ajustar a amplitude com precisão. Os sonotrodos e os amplificadores de amplitude são acessórios que permitem modificar a amplitude numa gama ainda mais ampla. Os processadores ultrassónicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito elevadas e a intensidade ultrassónica necessária para aplicações exigentes. É possível operar facilmente e de forma contínua com amplitudes até 200µm em funcionamento 24/7.
Os ajustes precisos da amplitude e a monitorização permanente dos parâmetros do processo ultrassónico através de software inteligente permitem-lhe tratar os seus reagentes nas condições ultrassónicas mais eficazes. Sonicação ótima para uma taxa de conversão química excecional!
A robustez do equipamento ultrassónico Hielscher permite o funcionamento 24/7 em serviço intensivo e em ambientes exigentes. Isto faz dos sonicadores Hielscher uma ferramenta de trabalho fiável que satisfaz os requisitos do seu processo químico.

A mais elevada qualidade – concebidos e fabricados na Alemanha

Enquanto empresa de propriedade e gestão familiares, a Hielscher dá prioridade aos mais elevados padrões de qualidade para os seus processadores ultrassónicos. Todos os sonicadores são concebidos, fabricados e rigorosamente testados na nossa sede em Teltow, perto de Berlim, na Alemanha. A robustez e a fiabilidade do equipamento ultrassónico Hielscher fazem dele um equipamento de trabalho resistente na sua produção. O funcionamento 24/7 em plena carga e em ambientes exigentes é uma característica natural dos misturadores de elevado desempenho da Hielscher.
Os processadores ultrassónicos industriais da Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito elevadas. É possível operar facilmente e de forma contínua com amplitudes até 200µm em funcionamento 24/7. Para amplitudes ainda mais elevadas, estão disponíveis sonotrodos ultrassónicos personalizados.

A tabela abaixo dá-lhe uma indicação da capacidade aproximada de processamento dos nossos sonicadores: