Hidreto de magnésio de tamanho nanométrico como armazenamento eficiente de hidrogênio

A sonicação é aplicada ao hidreto de magnésio para acelerar a hidrólise do hidreto de magnésio para aumentar a geração de hidrogênio. Além disso, o hidreto de magnésio ultrassônico nanoestruturado, ou seja, nanopartículas de MgH2, mostra melhor capacidade de armazenamento de hidrogênio.

Hidreto de magnésio para armazenamento de hidrogênio

Hidreto de magnésio, MgH₂, tem atraído amplamente a atenção como opção para armazenamento de hidrogênio. Os principais benefícios são seus recursos abundantes, alto desempenho, peso leve, baixo custo e segurança. Em comparação com outros hidretos utilizáveis para armazenamento de hidrogênio, o MgH₂ tem as maiores densidades de armazenamento de hidrogênio com até 7,6% em peso. O hidrogênio pode ser armazenado em Mg na 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 formação a uma temperatura de 300–400°C e uma pressão de hidrogênio de 2,4–40 MPa. A equação de formação é a seguinte: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
O tratamento térmico vem com efeitos de degradação significativos dos hidretos, como recristalização, segregação de fases, aglomeração de nanopartículas etc. Além disso, altas temperaturas e pressões tornam a formação de MgH2 intensiva em energia, complexa e, portanto, cara.

Hidrólise ultrassônica de hidreto de magnésio

Hiroi et al. (2011) demonstraram que a sonicação de nanopartículas e nanofibras de MgH2 intensificou a reação de hidrólise MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. Neste estudo, as nanofibras de MgH2 exibiram a capacidade máxima de armazenamento de hidrogênio de 14,4% em massa à temperatura ambiente. Além disso, os pesquisadores demonstraram que uma combinação de sonicação e hidrólise de MgH2 é consideravelmente eficaz para gerar hidrogênio de forma eficiente sem aquecimento e adição de qualquer agente químico. Eles também descobriram que o ultrassom de baixa frequência era o método mais eficiente para obter uma alta taxa de conversão. A taxa de hidrólise na sonicação de baixa frequência "atingiu até 76% em termos de grau de reação a 7,2 ks a uma frequência ultrassônica de 28 kHz. Este valor foi mais de 15 vezes o valor obtido no caso da amostra não sonicada, indicando uma densidade de hidrogênio equivalente de 11,6% em massa com base no peso de MgH2.
Os resultados revelaram que o ultrassom aumentará a reação de hidrólise do MgH2, aumentando a taxa de reação constante devido à geração de radicais 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 por meio de moagem de bolas, tratamento com água quente ou aditivos químicos foi investigada, mas não foi encontrada para aumentar a taxa de conversão química de maneira significativa. Em relação à adição de produtos químicos, aditivos químicos, como agentes tampão, quelantes e trocadores de íons, que ajudaram a prevenir a formação de uma camada passivante de Mg(OH)2, produziram impurezas no processo de ciclagem pós-Mg.

Solução: Dispersão ultrassônica de hidreto de magnésio

A dispersão ultrassônica e a moagem úmida são uma técnica altamente eficiente para produzir partículas e cristais nanométricos com uma curva de distribuição muito estreita. Ao dispersar o hidreto de magnésio uniformemente em tamanho nanométrico, a área de superfície ativa torna-se significativamente aumentada. Além disso, a sonicação remove as camadas passivantes e aumenta a transferência de massa para taxas de conversão química superiores. A fresagem ultrassônica, a dispersão, a desaglomeração e a limpeza da superfície das partículas superam outras técnicas de moagem em eficiência, confiabilidade e simplicidade.

A moagem e dispersão por via úmida ultrassônica é um método altamente eficiente para a redução do tamanho das partículas, por exemplo, de hidreto de magnésio

Hidreto de magnésio nanoestruturado como armazenamento de hidrogênio aprimorado

Os hidretos de magnésio nanoestruturantes foram cientificamente comprovados como uma estratégia eficaz que permite melhorar simultaneamente as propriedades termodinâmicas e cinéticas de ab / dessorção do MgH2. Estruturas à base de magnésio nanoestruturadas / nanoestruturadas, como nanopartículas e nanofibras de MgH2, podem ser aprimoradas ainda mais reduzindo o tamanho da partícula e do grão, diminuindo assim a entalpia de formação de hidreto ΔH. Os cálculos revelaram que a barreira de reação para a decomposição do MgH2 nanométrico foi notavelmente menor do que a do MgH2 em massa, indicando que a engenharia da nanoestrutura do MgH2 é termodinâmica e cineticamente favorável ao desempenho aprimorado. (cf. Ren et al., 2023)

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

Nanosizing ultrassônico e nanoestruturação de hidreto de magnésio

A nanoestruturação ultrassônica é uma técnica altamente eficaz que permite alterar a termodinâmica do hidreto de magnésio sem afetar a capacidade de hidrogênio. As nanopartículas ultrafinas de MgH2 exibem uma capacidade de dessorção de hidrogênio significativamente melhorada. O hidreto de magnésio nanodimensionado é uma forma de reduzir significativamente a temperatura de ab-/dessorção de hidrogênio e aumentar a taxa de re/desidrogenação de MgH2, devido à introdução de defeitos, encurtamento dos caminhos de difusão do hidrogênio, aumento dos locais de nucleação e desestabilização da ligação Mg-H.
Um simples tratamento sonoquímico oferece a possibilidade de formação de hidretos de baixa energia, principalmente 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.

Hidreto de nanomagnésio sintetizado sonoquimicamente para armazenamento eficiente de hidrogênio

Nanopartículas de hidreto de magnésio preparadas por ultrassom atingem reversibilidade à temperatura ambiente de 6,7% em peso de armazenamento reversível de hidrogênio
O uso de hidretos de metais leves como transportadores para armazenamento de hidrogênio é uma abordagem promissora para o armazenamento seguro e eficiente de hidrogênio. Um hidreto metálico em particular, o hidreto de magnésio (MgH2), ganhou interesse significativo devido ao seu alto teor de hidrogênio e à abundância de magnésio na natureza. No entanto, o MgH2 a granel tem a desvantagem de ser estável, liberando hidrogênio apenas em temperaturas muito altas de mais de 300 ° C. Isso é impraticável e ineficiente para aplicações relacionadas ao armazenamento de hidrogênio.
Zhang et al. (2020) investigaram a possibilidade de armazenamento reversível de hidrogênio à temperatura ambiente criando nanopartículas ultrafinas de MgH2. Eles usaram a sonicação para iniciar um processo de metátese, que é efetivamente um processo de dupla decomposição. A sonicação foi aplicada a uma pasta composta por líquidos e sólidos com o objetivo de criar nanopartículas. Essas nanopartículas, sem nenhuma estrutura de andaime adicional, foram produzidas com sucesso com tamanhos predominantemente em torno de 4-5 nm. Para essas nanopartículas, o y mediu uma capacidade de armazenamento de hidrogênio reversível de 6,7% em peso a 30 ° C, uma conquista significativa que não foi demonstrada antes. Isso foi possível graças à desestabilização termodinâmica e à redução das barreiras cinéticas. As nanopartículas nuas também exibiram um comportamento de ciclagem de hidrogênio estável e rápido durante 50 ciclos a 150 ° C, uma melhoria notável em comparação com o MgH2 em massa. Esses achados apresentam a sonicação como um tratamento potencial que leva a uma maior eficiência de MgH2 para armazenamento de hidrogênio.
(cf. Zhang et al. 2020)

Distribuição granulométrica ultrafina MgH2 preparada após sonicação.
(estudo e gráfico: ©Zhang et al., 2020)

Ultrassonicadores de alto desempenho para tratamento de hidreto de magnésio

Sonoquímica – A aplicação do ultrassom de potência às reações químicas – é uma tecnologia de processamento confiável, que facilita e acelera as sínteses, reações catalíticas e outras reações hetergênicas. O portfólio da Hielscher Ultrasonics abrange toda a gama, desde ultrassônicos compactos de laboratório até sistemas sonoquímicos industriais para todos os tipos de aplicações químicas, como a hidrólise de hidreto de magnésio e sua nano-fresagem / nano-estruturação. Isso nos permite oferecer o ultrassônico mais adequado para o seu processo de MgH2 previsto. Nossa equipe experiente de longa data irá ajudá-lo desde os testes de viabilidade e otimização do processo até a instalação do seu sistema ultrassônico no nível final de produção.
A pequena pegada de nossos homogeneizadores ultrassônicos, bem como sua versatilidade nas opções de instalação, fazem com que eles se encaixem até mesmo em instalações de processamento de espaços pequenos. Os processadores ultrassônicos são instalados em todo o mundo em instalações de produção de química fina, petroquímica e nanomateriais.

lote e em linha

O equipamento sonoquímico Hielscher pode ser usado para processamento em lote e de fluxo contínuo. O processamento ultrassônico em lote é ideal para testes de processo, otimização e nível de produção de pequeno a médio porte. Para a produção de grandes volumes de materiais, o processamento em linha pode ser mais vantajoso. Um processo contínuo de mistura 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 sua reação de sonossíntese, volume de processamento e objetivos.

Sondas e reatores ultrassônicos para hidrólise de MgH2 em qualquer escala

A linha de produtos Hielscher Ultrasonics abrange todo o espectro de processadores ultrassônicos, desde ultrassônicos compactos de laboratório, passando por sistemas piloto e de bancada, até processadores ultrassônicos totalmente industriais com capacidade para processar cargas de caminhão por hora. A gama completa de produtos nos permite oferecer o homogeneizador ultrassônico mais adequado para sua capacidade de processo e metas de produção.
Os sistemas ultrassônicos de bancada são ideais para testes de viabilidade e otimização de processos. O aumento de escala linear com base em parâmetros de processo estabelecidos torna muito fácil aumentar as capacidades de processamento de lotes menores para produção totalmente comercial. O aumento de escala pode ser feito instalando uma unidade ultrassônica mais poderosa ou agrupando vários ultrassônicos em paralelo. Com o UIP16000, a Hielscher oferece o homogeneizador ultrassônico mais potente do mundo.

Amplitudes controláveis com precisão para resultados ideais

Todos os ultrassônicos Hielscher são precisamente controláveis e, portanto, cavalos de trabalho confiáveis 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 o ajuste preciso da amplitude. Sonotrodos e buzinas de reforço são acessórios que permitem modificar a amplitude em uma faixa ainda mais ampla. Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher podem fornecer amplitudes muito altas e fornecer a intensidade ultrassônica necessária para aplicações exigentes. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana.
Configurações precisas de amplitude e o monitoramento permanente dos parâmetros do processo ultrassônico por meio de software inteligente oferecem a possibilidade de tratar seus reagants com as condições ultrassônicas mais eficazes. Sonicação ideal para uma excelente taxa de conversão química!
A robustez do equipamento ultrassônico Hielscher permite operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, em ambientes pesados e exigentes. Isso torna o equipamento ultrassônico da Hielscher uma ferramenta de trabalho confiável que atende aos requisitos do seu processo químico.

A mais alta qualidade – Projetado e fabricado na Alemanha

Como uma empresa familiar e familiar, a Hielscher prioriza os mais altos padrões de qualidade para seus processadores ultrassônicos. Todos os ultrassônicos são projetados, fabricados e exaustivamente testados em nossa sede em Teltow, perto de Berlim, Alemanha. A robustez e a confiabilidade do equipamento ultrassônico Hielscher o tornam um cavalo de trabalho em sua produção. A operação 24 horas por dia, 7 dias por semana, sob carga total e em ambientes exigentes é uma característica natural dos misturadores de alto desempenho da Hielscher.
Os processadores ultrassônicos industriais Hielscher Ultrasonics podem fornecer amplitudes muito altas. Amplitudes de até 200 μm podem ser facilmente executadas continuamente em operação 24 horas por dia, 7 dias por semana. Para amplitudes ainda maiores, estão disponíveis sonotrodos ultrassônicos personalizados.

A tabela abaixo fornece uma indicação da capacidade aproximada de processamento de nossos ultrassônicos: