Hidrura de magneziu de dimensiuni nanometrice ca mediu eficient de stocare a hidrogenului

Sonicarea se aplică hidrurii de magneziu pentru a accelera hidroliza hidrurii de magneziu și a intensifica generarea de hidrogen. În plus, hidrura de magneziu nanostructurată cu ultrasunete, adică nanoparticulele de MgH₂, prezintă o capacitate îmbunătățită de stocare a hidrogenului.

Hidrura de magneziu pentru stocarea hidrogenului

Hidrura de magneziu, MgH₂, a atras o atenție largă ca opțiune pentru stocarea hidrogenului. Principalele avantaje sunt resursele abundente, performanța ridicată, greutatea redusă, costul scăzut și siguranța. În comparație cu alte hidruri utilizabile pentru stocarea hidrogenului, MgH₂ are cele mai mari densități de stocare a hidrogenului, de până la 7,6 wt %. Hidrogenul poate fi stocat în Mg sub formă de hidruri metalice pe bază de Mg. Procesul de sinteză a MgH₂ este cunoscut sub numele de chemisorbție disociativă. O metodă uzuală de producere a hidrurii metalice pe bază de Mg din Mg și H2 este formarea la o temperatură de 300–400°C și la o presiune a hidrogenului de 2,4–40 MPa. Ecuația de formare este următoarea: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Tratamentul termic intens este însoțit de efecte semnificative de degradare a hidrurilor, precum recristalizarea, segregarea fazelor, aglomerarea nanoparticulelor etc. În plus, temperaturile și presiunile ridicate fac ca formarea MgH2 să fie energointensivă, complexă și, prin urmare, costisitoare.

Hidroliza cu ultrasunete a hidrurii de magneziu

Hiroi et al. (2011) au demonstrat că sonicarea nanoparticulelor și nanofibrelor de MgH₂ a intensificat reacția de hidroliză MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. În acest studiu, nanofibrele de MgH₂ au prezentat capacitatea maximă de stocare a hidrogenului de 14,4 mass% la temperatura camerei. În plus, cercetătorii au demonstrat că o combinație între sonicare și hidroliza MgH₂ este considerabil de eficace pentru generarea eficientă de hidrogen fără încălzire și fără adăugarea vreunui agent chimic. De asemenea, au constatat că ultrasunetele de joasă frecvență au reprezentat metoda cea mai eficientă pentru obținerea unei rate de conversie ridicate. Viteza de hidroliză la sonicarea de joasă frecvență „a ajuns până la 76% în ceea ce privește gradul de reacție la 7,2 ks, la o frecvență ultrasonică de 28 kHz. Această valoare a fost de peste 15 ori mai mare decât valoarea obținută în cazul probei nesonicate, indicând o densitate echivalentă de hidrogen de 11,6 mass% raportată la masa MgH₂.”
Rezultatele au arătat că ultrasunetele intensifică reacția de hidroliză a MgH₂ prin creșterea constantei de viteză a reacției datorită generării de radicali și prin exfolierea stratului pasiv de Mg(OH)₂ de pe MgH₂ nereacționat, datorită generării unor forțe de forfecare mari. (Hiroi et al. 2011)

Problemă: hidroliza lentă a hidrurii de magneziu

Stimularea hidrolizei hidrurii de magneziu prin măcinare în moară cu bile, tratament cu apă fierbinte sau aditivi chimici a fost investigată, dar nu s-a constatat ca aceste metode să crească în mod semnificativ rata de conversie chimică. În ceea ce privește adăugarea de substanțe chimice, aditivii chimici, precum agenții de tamponare, chelatorii și schimbătorii de ioni, care au contribuit la prevenirea formării unui strat pasivant de Mg(OH)₂, au generat impurități în procesul de ciclare post-Mg.

Soluție: dispersarea cu ultrasunete a hidrurii de magneziu

Dispersarea și măcinarea umedă cu ultrasunete reprezintă o tehnică extrem de eficientă pentru producerea de particule și cristale de dimensiuni nanometrice, cu o curbă de distribuție foarte îngustă. Prin dispersarea uniformă a hidrurii de magneziu la dimensiuni nanometrice, suprafața activă se mărește semnificativ. În plus, sonicarea îndepărtează straturile pasivante și intensifică transferul de masă, pentru rate superioare de conversie chimică. Măcinarea, dispersarea, dezaglomerarea și curățarea suprafeței particulelor cu ultrasunete depășesc alte tehnici de măcinare în ceea ce privește eficiența, fiabilitatea și simplitatea.

Măcinarea umedă și dispersarea cu ultrasunete reprezintă o metodă extrem de eficientă pentru reducerea dimensiunii particulelor, de ex. a hidrurii de magneziu

Hidrura de magneziu nanostructurată ca mediu îmbunătățit de stocare a hidrogenului

Nanostructurarea hidrurilor de magneziu s-a dovedit științific a fi o strategie eficace, care permite îmbunătățirea simultană a proprietăților termodinamice și cinetice de absorbție/desorbție ale MgH2. Structurile pe bază de magneziu de dimensiuni nanometrice / nanostructurate, precum nanoparticulele și nanofibrele de MgH2, pot fi îmbunătățite suplimentar prin reducerea dimensiunii particulelor și a granulelor, scăzând astfel entalpia lor de formare a hidrurii ΔH. Calculele au arătat că bariera de reacție pentru descompunerea MgH2 de dimensiuni nanometrice a fost remarcabil mai mică decât cea a MgH2 masiv, ceea ce indică faptul că ingineria nanostructurală a MgH2 este favorabilă, din punct de vedere termodinamic și cinetic, performanței îmbunătățite. (cf. Ren et al., 2023)

Comparație a barierelor energetice pentru absorbția și desorbția hidrogenului în cazul MgH₂ masiv și al MgH₂ ultrafin nanostructurat.
(studiu și grafic: ©Zhang et al., 2020)

Nanodimensionarea și nanostructurarea cu ultrasunete a hidrurii de magneziu

Nanostructurarea cu ultrasunete este o tehnică extrem de eficace, care permite modificarea termodinamicii hidrurii de magneziu fără a afecta capacitatea de hidrogen. Nanoparticulele ultrafine de MgH₂ prezintă o capacitate de desorbție a hidrogenului semnificativ îmbunătățită. Reducerea la dimensiuni nanometrice a hidrurii de magneziu este o modalitate de a reduce semnificativ temperatura de absorbție/desorbție a hidrogenului și de a crește viteza de rehidrogenare/dehidrogenare a MgH₂, datorită introducerii de defecte, scurtării căilor de difuzie a hidrogenului, creșterii numărului de situsuri de nucleație și destabilizării legăturii Mg–H.
Un tratament sonochimic simplu oferă posibilitatea formării de hidruri cu energie scăzută, în special în cazul tratării particulelor de magneziu. De exemplu, Baidukova et al. (2026) au demonstrat posibilitatea formării de hidruri cu energie scăzută într-o matrice poroasă magneziu-hidroxid de magneziu, prin tratamentul sonochimic al particulelor de magneziu în suspensii apoase.

Hidrură de magneziu nanometrică sintetizată sonochimic pentru stocarea eficientă a hidrogenului

Nanoparticulele de hidrură de magneziu preparate cu ultrasunete ating, la temperatura ambiantă, o reversibilitate de 6,7 wt% pentru stocarea reversibilă a hidrogenului
Utilizarea hidrurilor de metale ușoare ca purtători pentru stocarea hidrogenului este o abordare promițătoare pentru stocarea sigură și eficientă a hidrogenului. O anumită hidrură metalică, hidrura de magneziu (MgH2), a atras un interes semnificativ datorită conținutului său ridicat de hidrogen și abundenței magneziului în natură. Totuși, MgH2 masiv are dezavantajul de a fi stabil, eliberând hidrogen doar la temperaturi foarte ridicate, de peste 300°C. Acest lucru este nepractic și ineficient pentru aplicațiile legate de stocarea hidrogenului.
Zhang et al. (2020) au investigat posibilitatea stocării reversibile a hidrogenului la temperatura ambiantă prin crearea de nanoparticule ultrafine de MgH₂. Au utilizat sonicarea pentru a iniția un proces de metateză, care este, de fapt, un proces de dublă descompunere. Sonicarea a fost aplicată unei suspensii formate din lichid și solide, cu scopul de a crea nanoparticule. Aceste nanoparticule, fără nicio structură de susținere suplimentară, au fost produse cu succes, cu dimensiuni predominant de aproximativ 4–5 nm. Pentru aceste nanoparticule, aceștia au măsurat o capacitate reversibilă de stocare a hidrogenului de 6,7 wt% la 30°C, o realizare semnificativă care nu mai fusese demonstrată anterior. Acest lucru a fost posibil datorită destabilizării termodinamice și reducerii barierelor cinetice. Nanoparticulele neacoperite au prezentat, de asemenea, un comportament stabil și rapid la ciclarea hidrogenului pe parcursul a 50 de cicluri la 150°C, o îmbunătățire notabilă în comparație cu MgH₂ masiv. Aceste rezultate prezintă sonicarea ca tratament potențial care conduce la o eficiență mai mare a MgH₂ pentru stocarea hidrogenului.
(cf. Zhang et al. 2020)

Distribuția dimensiunii particulelor de MgH₂ ultrafin preparat după sonicare.
(studiu și grafic: ©Zhang et al., 2020)

Ultrasonicatoare de înaltă performanță pentru tratarea hidrurii de magneziu

Sonochimia – aplicarea ultrasunetelor de putere în reacțiile chimice – este o tehnologie de procesare fiabilă, care facilitează și accelerează sintezele, reacțiile catalitice și alte reacții eterogene. Portofoliul Hielscher Ultrasonics acoperă întreaga gamă, de la ultrasonicatoare compacte de laborator până la sisteme sonochimice industriale pentru toate tipurile de aplicații chimice, precum hidroliza hidrurii de magneziu și nanomăcinarea / nanostructurarea acesteia. Acest lucru ne permite nouă, la Hielscher, să vă oferim ultrasonicatorul cel mai potrivit pentru procesul de MgH2 pe care îl aveți în vedere. Personalul nostru cu experiență îndelungată vă va asista de la testele de fezabilitate și optimizarea procesului până la instalarea sistemului dumneavoastră cu ultrasunete la nivelul final de producție.
Amprenta redusă a omogenizatoarelor noastre cu ultrasunete, precum și versatilitatea opțiunilor de instalare, le permit să se încadreze chiar și în instalații de procesare cu spațiu redus. Procesoarele cu ultrasunete sunt instalate în întreaga lume în instalații de chimie fină, petrochimie și producție de nanomateriale.

Șarjă și inline

Echipamentele sonochimice Hielscher pot fi utilizate pentru procesarea în șarjă și în flux continuu. Procesarea în șarjă cu ultrasunete este ideală pentru testarea și optimizarea proceselor, precum și pentru producția la scară mică și medie. Pentru producerea unor volume mari de materiale, procesarea inline poate fi mai avantajoasă. Un proces continuu de amestecare inline necesită o configurație sofisticată – constând dintr-o pompă, furtunuri sau conducte și rezervoare –, dar este extrem de eficient, rapid și necesită semnificativ mai puțină muncă. Hielscher Ultrasonics dispune de configurația sonochimică cea mai potrivită pentru reacția dumneavoastră de sonosinteză, pentru volumul de procesare și pentru obiectivele dumneavoastră.

Sonde și reactoare cu ultrasunete pentru hidroliza MgH₂ la orice scară

Gama de produse Hielscher Ultrasonics acoperă întregul spectru de procesoare cu ultrasunete, de la ultrasonicatoare compacte de laborator, trecând prin sisteme de banc și pilot, până la procesoare cu ultrasunete complet industriale, cu capacitatea de a procesa încărcături de camion pe oră. Gama completă de produse ne permite să vă oferim omogenizatorul cu ultrasunete cel mai potrivit pentru capacitatea dumneavoastră de proces și pentru obiectivele dumneavoastră de producție.
Sistemele cu ultrasunete de banc sunt ideale pentru testarea fezabilității și optimizarea proceselor. Scalarea liniară pe baza parametrilor de proces stabiliți face foarte ușoară creșterea capacităților de procesare de la loturi mai mici la producția complet comercială. Scalarea se poate realiza fie prin instalarea unei unități cu ultrasunete mai puternice, fie prin gruparea mai multor ultrasonicatoare în paralel. Cu UIP16000, Hielscher oferă cel mai puternic omogenizator cu ultrasunete din lume.

Amplitudini controlabile cu precizie pentru rezultate optime

Toate ultrasonicatoarele Hielscher sunt controlabile cu precizie și, prin urmare, sunt cai de povară fiabili în producție. Amplitudinea este unul dintre parametrii de proces esențiali care influențează eficiența și eficacitatea reacțiilor sonochimice Toate procesoarele Hielscher Ultrasonics permit setarea precisă a amplitudinii. Sonotrodele și boosterele sunt accesorii care permit modificarea amplitudinii într-un interval și mai larg. Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher pot furniza amplitudini foarte mari și pot furniza intensitatea ultrasonică necesară pentru aplicații solicitante. Amplitudinile de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în regim continuu, în funcționare 24/7.
Setările precise ale amplitudinii și monitorizarea permanentă a parametrilor procesului cu ultrasunete prin intermediul unui software inteligent vă oferă posibilitatea de a trata reactivii dumneavoastră în cele mai eficace condiții de sonicare. Sonicare optimă pentru o rată de conversie chimică remarcabilă!
Robustețea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 în regim greu și în medii solicitante. Acest lucru face din sonicatoarele Hielscher un instrument de lucru fiabil, care îndeplinește cerințele procesului dumneavoastră chimic.

Cea mai înaltă calitate – proiectat și fabricat în Germania

Ca afacere deținută și condusă de o familie, Hielscher acordă prioritate celor mai înalte standarde de calitate pentru procesoarele sale cu ultrasunete. Toate ultrasonicatoarele sunt proiectate, fabricate și testate temeinic la sediul nostru central din Teltow, lângă Berlin, Germania. Robustețea și fiabilitatea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher le transformă în cai de povară în producția dumneavoastră. Funcționarea 24/7 la sarcină maximă și în medii solicitante este o caracteristică naturală a mixerelor de înaltă performanță Hielscher.
Procesoarele industriale cu ultrasunete Hielscher Ultrasonics pot furniza amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200µm pot fi menținute cu ușurință în regim continuu, în funcționare 24/7. Pentru amplitudini și mai mari, sunt disponibile sonotrode cu ultrasunete personalizate.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație privind capacitatea aproximativă de procesare a ultrasonicatoarelor noastre: