Hidrură de magneziu de dimensiuni nanometrice ca stocare eficientă a hidrogenului

Sonicare se aplică hidrurii de magneziu pentru a accelera hidroliza hidrurii de magneziu pentru a spori generarea de hidrogen. În plus, hidrură de magneziu nanostructurată ultrasonically, adică nanoparticule MgH2, arată o capacitate îmbunătățită de stocare a hidrogenului.

Hidrură de magneziu pentru stocarea hidrogenului

Hidrură de magneziu, MgH₂, a atras atenția pe scară largă ca opțiune pentru stocarea hidrogenului. Principalele beneficii sunt resursele sale abundente, performanța ridicată, greutatea redusă, costul redus și siguranța. În comparație cu alte hidruri utilizabile pentru stocarea hidrogenului, MgH₂ are cele mai mari densități de stocare a hidrogenului, cu până la 7,6% în greutate. 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 chemizorpție disociativă. O metodă comună de a produce hidrură metalică pe bază de Mg din Mg și H2 este formarea la o temperatură de 300-400 ° C și o presiune a hidrogenului de 2,4-40 MPa. Ecuația de formare este următoarea: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Tratamentul termic ridicat vine cu efecte semnificative de degradare a hidrurilor, cum ar fi recristalizarea, segregarea fazelor, aglomerarea nanoparticulelor etc. În plus, temperaturile și presiunile ridicate fac ca formarea MgH2 să fie consumatoare de energie, complexă și, prin urmare, costisitoare.

Hidroliza cu ultrasunete a hidrurii de magneziu

Hiroi et al. (2011) a demonstrat că sonicare de nano-particule MgH2 și nanofibre intensificat reacția de hidroliză MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. În acest studiu, nanofibrele MgH2 au prezentat capacitatea maximă de stocare a hidrogenului de 14,4% masă la temperatura camerei. În plus, cercetătorii au demonstrat că o combinație de sonicare și hidroliză MgH2 este considerabil eficientă pentru generarea eficientă a hidrogenului fără încălzire și adăugarea oricărui agent chimic. Ei au descoperit, de asemenea, că ultrasunetele de joasă frecvență au fost cea mai eficientă metodă pentru a obține o rată de conversie ridicată. Rata de hidroliză la sonicare de joasă frecvență "a atins 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 non-sonicate, indicând o densitate echivalentă a hidrogenului de 11,6% masă pe baza greutății MgH2.
Rezultatele au arătat că ultrasunetele vor spori reacția de hidroliză a MgH2 prin creșterea constantei ratei de reacție datorită generării de radicali și exfolierea stratului pasiv de Mg(OH)2 peste MgH2 nereacționat datorită generării unor forțe mari de forfecare. (Hiroi și colab., 2011)

Problemă: hidroliza lentă a hidrurii de magneziu

Promovarea hidrolizei hidrurii de magneziu prin măcinare cu bile, tratarea apei calde sau aditivi chimici au fost investigate, dar nu s-a constatat că sporesc rata de conversie chimică într-un mod semnificativ. În ceea ce privește adăugarea de substanțe chimice, aditivii chimici, cum ar fi agenții tampon, chelatorii și schimbătorii de ioni, care au ajutat la prevenirea formării unui strat pasivant de Mg (OH) 2, au produs impurități în procesul de ciclu post-Mg.

Soluție: Dispersarea cu ultrasunete a hidrurii de magneziu

Dispersarea cu ultrasunete și frezarea umedă este o tehnică extrem de eficientă pentru a produce particule și cristale de dimensiuni nano cu o curbă de distribuție foarte îngustă. Prin dispersarea uniformă a hidrurii de magneziu în dimensiuni nano, suprafața activă devine semnificativ mărită. În plus, sonicare elimină straturile pasivante și crește transferul de masă pentru rate superioare de conversie chimică. Frezarea cu ultrasunete, dispersarea, dezaglomerarea și curățarea suprafeței particulelor excelează alte tehnici de frezare în eficiență, fiabilitate și simplitate.

Frezarea umedă cu ultrasunete și dispersarea este o metodă extrem de eficientă pentru reducerea dimensiunii particulelor, de exemplu a hidrurii de magneziu

Hidrură de magneziu nanostructurată ca stocare îmbunătățită a hidrogenului

S-a dovedit științific că hidrurile de magneziu cu nanostructurare sunt o strategie eficientă care permite îmbunătățirea simultană a proprietăților termodinamice și cinetice de ab/desorbție ale MgH2. Structurile pe bază de magneziu de dimensiuni nanometrice / nanostructurate, cum ar fi nanoparticulele și nanofibrele de MgH2, pot fi îmbunătățite în continuare prin reducerea dimensiunii particulelor și granulelor, reducând astfel entalpia ΔH de formare a hidrurilor. Calculele au arătat că bariera de reacție pentru descompunerea MgH2 de dimensiuni nano a fost remarcabil mai mică decât cea a MgH2 în vrac, indicând faptul că ingineria nanostructurii MgH2 este favorabilă termodinamic și cinetic performanței îmbunătățite. (cf. Ren et al., 2023)

Compararea barierelor energetice pentru absorbția și desorbția hidrogenului a MgH2 în vrac și a MgH2 ultrafin nanostructurat.
(studiu și grafic: ©Zhang și colab., 2020)

Nanodimensionarea cu ultrasunete și nanostructurarea hidrurii de magneziu

Nanostructurarea cu ultrasunete este o tehnică extrem de eficientă care permite schimbarea termodinamicii hidrurii de magneziu fără a afecta capacitatea de hidrogen. Nanoparticulele ultrafine de MgH2 prezintă o capacitate de desorbție a hidrogenului semnificativ îmbunătățită. Nano-dimensionarea hidrurii de magneziu este o modalitate de a reduce semnificativ temperatura de ab-/desorbție a hidrogenului și de a crește rata de re/dehidrogenare a MgH2, datorită introducerii defectelor, scurtării căilor de difuzie a hidrogenului, creșterii situsurilor de nucleație și destabilizării legăturilor Mg-H.
Un tratament sonochimic simplu oferă posibilitatea formării hidrurilor cu energie redusă, în special în cazul tratamentului cu particule de magneziu. De exemplu, Baidukova et al. (2026) au demonstrat posibilitatea de a forma hidruri cu energie redusă într-o matrice poroasă de hidroxid de magneziu-magneziu prin intermediul tratamentului sonochimic al particulelor de magneziu în suspensii apoase.

Hidrură nano-magneziu sintetizată sonochimic pentru stocarea eficientă a hidrogenului

Nanoparticulele de hidrură de magneziu pregătite ultrasonically ating reversibilitatea temperaturii ambiante de 6,7 wt% 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 hidrură metalică specială, hidrura de magneziu (MgH2), a câștigat un interes semnificativ datorită conținutului ridicat de hidrogen și abundenței de magneziu în natură. Cu toate acestea, MgH2 în vrac 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. Ei au folosit sonicare pentru a iniția un proces de metateză, care este efectiv un proces dublu de descompunere. Sonicare a fost aplicat la o suspensie constând în lichide și solide, cu scopul de a crea nanoparticule. Aceste nanoparticule, fără structuri suplimentare de schelă, au fost produse cu succes cu dimensiuni predominant în jur de 4-5 nm. Pentru aceste nanoparticule, y a măsurat o capacitate reversibilă de stocare a hidrogenului de 6,7% în greutate la 30 ° C, o realizare semnificativă care nu a fost demonstrată înainte. Acest lucru a fost posibil prin destabilizarea termodinamică și reducerea barierelor cinetice. Nanoparticulele goale au prezentat, de asemenea, un comportament stabil și rapid de ciclu al hidrogenului în timpul a 50 de cicluri la 150 ° C, o îmbunătățire notabilă în comparație cu MgH2 în vrac. Aceste constatări prezintă sonicare ca tratament potențial care duce la o eficiență mai mare a MgH2 pentru stocarea hidrogenului.
(cf. Zhang et al. 2020)

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

Ultrasonicators de înaltă performanță pentru tratamentul hidrurii de magneziu

Sonochimie – aplicarea ultrasunetelor de putere la reacțiile chimice – este o tehnologie de procesare fiabilă, care facilitează și accelerează sintezele, reacțiile catalitice și alte reacții hetergene. Hielscher Ultrasonics portofoliu acoperă întreaga gamă de la ultrasonicators de laborator compact la sisteme sonochimice industriale pentru tot felul de aplicații chimice, ar fi hidroliza hidrurii de magneziu și nano-frezare / nano-structurare. Acest lucru ne permite la Hielscher pentru a vă oferi cel mai potrivit ultrasonicator pentru procesul MgH2 preconizat. Personalul nostru cu experiență îndelungată vă va ajuta de la testele de fezabilitate și optimizarea procesului la instalarea sistemului cu ultrasunete la nivelul final de producție.
Amprenta mică a omogenizatoarelor noastre cu ultrasunete, precum și versatilitatea lor în opțiunile de instalare le fac să se potrivească chiar și în instalațiile de procesare cu spațiu mic. Procesoare cu ultrasunete sunt instalate la nivel mondial în chimie fină, petro-chimie, și facilități de producție nano-materiale.

lot și în linie

Hielscher sonochemical equipmment poate fi utilizat pentru lot și flux continuu de prelucrare. Prelucrarea loturilor cu ultrasunete este ideală pentru testarea procesului, optimizarea și nivelul de producție mic până la mijlociu. Pentru o producție de volume mari de materiale, prelucrarea în linie ar putea fi mai avantajoasă. Un proces continuu de amestecare în linie necesită o configurare sofisticată – constând dintr-o pompă, furtunuri sau țevi și rezervoare -, dar este foarte eficient, rapid și necesită mult mai puțină forță de muncă. Hielscher Ultrasonics are cea mai potrivită configurare sonochimică pentru reacția sono-sinteză, volumul de procesare și obiectivele.

Sonde ultrasonice și reactoare pentru hidroliza MgH2 la orice scară

Hielscher Ultrasonics gama de produse acoperă întregul spectru de procesoare cu ultrasunete de la ultrasonicators de laborator compact peste banc-top și sisteme pilot la procesoare cu ultrasunete complet industriale, cu capacitatea de a procesa camioane pe oră. Gama completă de produse ne permite să vă oferim cel mai potrivit omogenizator cu ultrasunete pentru capacitatea de proces și obiectivele de producție.
Sistemele cu ultrasunete benchtop sunt ideale pentru testarea fezabilității și optimizarea proceselor. Scalarea liniară bazată pe parametrii de proces stabiliți face foarte ușoară creșterea capacităților de procesare de la loturi mai mici la producția complet comercială. Up-scaling se poate face fie prin instalarea unei unități cu ultrasunete mai puternice sau gruparea mai multor ultrasonicators în paralel. Cu UIP16000, Hielscher oferă cel mai puternic omogenizator cu ultrasunete la nivel mondial.

Amplitudini controlabile cu precizie pentru rezultate optime

Toate ultrasonicators Hielscher sunt controlabile cu precizie și, prin urmare, cai de lucru fiabile în producție. Amplitudinea este unul dintre parametrii cruciali ai procesului care influențează eficiența și eficacitatea reacțiilor sonochimice Toate procesoarele Hielscher Ultrasonics permit setarea precisă a amplitudinii. Sonotrodes și coarnele de rapel sunt accesorii care permit modificarea amplitudinii într-o gamă și mai largă. Hielscher procesoare industriale cu ultrasunete pot livra amplitudini foarte mari și să furnizeze intensitatea ultrasonică necesară pentru aplicații exigente. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7.
Setările precise de amplitudine și monitorizarea permanentă a parametrilor procesului cu ultrasunete prin intermediul software-ului inteligent vă oferă posibilitatea de a trata reagants cu cele mai eficiente condiții cu ultrasunete. Sonicare optimă pentru o rată de conversie chimică remarcabilă!
Robustețea echipamentului cu ultrasunete Hielscher permite funcționarea 24/7 la grele și în medii solicitante. Acest lucru face echipamentul cu ultrasunete Hielscher un instrument de lucru fiabil care îndeplinește cerințele procesului chimic.

Cea mai înaltă calitate – Proiectat și fabricat în Germania

Ca o afacere de familie și de familie, Hielscher acordă prioritate celor mai înalte standarde de calitate pentru procesoarele sale cu ultrasunete. Toate ultrasonicators sunt proiectate, fabricate și testate temeinic în sediul nostru din Teltow lângă Berlin, Germania. Robustețea și fiabilitatea echipamentelor cu ultrasunete Hielscher îl fac un cal de lucru în producția dumneavoastră. Funcționarea 24/7 sub sarcină maximă și în medii solicitante este o caracteristică naturală a mixerelor de înaltă performanță Hielscher.
Hielscher Ultrasonics procesoare industriale cu ultrasunete pot livra amplitudini foarte mari. Amplitudinile de până la 200μm pot fi ușor rulate continuu în funcționare 24/7. Pentru amplitudini chiar mai mari, sonotrodes cu ultrasunete personalizate sunt disponibile.

Tabelul de mai jos vă oferă o indicație a capacității aproximative de procesare a ultrasonicators noastre: