Наноразмерный гидрид магния в качестве эффективного хранилища водорода

Гидролид магния применяется ультразвуком для ускорения гидролиза гидрида магния для увеличения образования водорода. Кроме того, ультразвуковой наноструктурированный гидрид магния, т.е. наночастицы MgH2, демонстрируют улучшенную способность накапливать водород.

Гидрид магния для хранения водорода

Гидрид магния, MgH₂привлек широкое внимание как вариант для хранения водорода. Основными преимуществами являются его обильный ресурс, высокая производительность, легкий вес, низкая стоимость и безопасность. По сравнению с другими гидридами, используемыми для хранения водорода, MgH₂ имеет самую высокую плотность хранения водорода до 7,6 мас. %. Водород может храниться в магнии в виде гидридов металлов на основе магния. Процесс синтеза MgH2 известен как диссоциативная хемосорбция. Распространенным методом получения гидрида металлов на основе магния из Mg и H2 является образование при температуре 300–400°С и давлении водорода 2,4–40 МПа. Уравнение образования выглядит следующим образом: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Высокотемпературная обработка сопровождается значительными эффектами деградации гидридов, такими как рекристаллизация, сегрегация фаз, агломерация наночастиц и т. д. Кроме того, высокие температуры и давления делают образование MgH2 энергоемким, сложным и, следовательно, дорогостоящим.

Ультразвуковой гидролиз гидрида магния

Hiroi et al. (2011) продемонстрировали, что ультразвуковая обработка наночастиц и нановолокон MgH2 усиливает реакцию гидролиза MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 кДж. В этом исследовании нановолокна MgH2 продемонстрировали максимальную емкость хранения водорода в 14,4 % по массе при комнатной температуре. Кроме того, исследователи продемонстрировали, что комбинация ультразвука и гидролиза MgH2 значительно эффективна для эффективного производства водорода без нагрева и добавления каких-либо химических веществ. Они также обнаружили, что низкочастотный ультразвук является наиболее эффективным методом для получения высокого коэффициента конверсии. Скорость гидролиза при низкочастотной ультразвуке “достигал 76% по степени реакции при 7,2 кС на ультразвуковой частоте 28 кГц. Это значение более чем в 15 раз превышало значение, полученное в случае образца, не обработанного ультразвуком, что указывает на эквивалентную плотность водорода 11,6 % по массе в пересчете на массу MgH2.”
Результаты показали, что ультразвук усиливает реакцию гидролиза MgH2 за счет увеличения константы скорости реакции из-за образования радикала и отшелушивания пассивного слоя Mg(OH)2 над непрореагировавшим MgH2 из-за генерации больших сил сдвига. (Хирои и др. 2011)

Проблема: медленный гидролиз гидрида магния

Стимулирование гидролиза гидрида магния путем шарового измельчения, обработки горячей водой или химических добавок было исследовано, но не было обнаружено значительного увеличения скорости химического превращения. Что касается добавления химических веществ, то химические добавки, такие как буферные агенты, хелаторы и иониты, которые помогали предотвратить образование пассивирующего слоя Mg(OH)2, производили примеси в процессе циклирования после магния.

Решение: ультразвуковое диспергирование гидрида магния

Ультразвуковое диспергирование и мокрое измельчение являются высокоэффективным методом получения наноразмерных частиц и кристаллов с очень узкой кривой распределения. За счет равномерного диспергирования гидрида магния в наноразмерах площадь активной поверхности значительно увеличивается. Кроме того, ультразвуковая обработка удаляет пассивирующие слои и увеличивает массоперенос для превосходной скорости химического преобразования. Ультразвуковое измельчение, диспергирование, деагломерация и очистка поверхности частиц превосходят другие методы фрезерования по эффективности, надежности и простоте.

Ультразвуковое мокрое измельчение и диспергирование является высокоэффективным методом уменьшения размера частиц, например, гидрида магния

Наноструктурированный гидрид магния в качестве улучшенного хранилища водорода

Научно доказано, что наноструктурированные гидриды магния являются эффективной стратегией, позволяющей одновременно улучшать термодинамические и кинетические свойства аб/десорбции MgH2. Наноразмерные/наноструктурированные структуры на основе магния, такие как наночастицы и нановолокна MgH2, могут быть дополнительно усилены за счет уменьшения размера частиц и зерен, тем самым уменьшая их энтальпию образования гидридов ΔH. Расчеты показали, что реакционный барьер для разложения наноразмерного MgH2 был значительно ниже, чем у объемного MgH2, что указывает на то, что наноструктурная инженерия MgH2 термодинамически и кинетически благоприятна для повышения эффективности. (ср. Рен и др., 2023)

Сравнение энергетических барьеров для поглощения и десорбции водорода объемного MgH2 и наноструктурированного ультрадисперсного MgH2.(исследование и график: ©Zhang et al., 2020)

Ультразвуковое наноразмерирование и наноструктурирование гидрида магния

Ультразвуковое наноструктурирование является высокоэффективным методом, позволяющим изменять термодинамику гидрида магния, не влияя на водородную емкость. Ультрадисперсные наночастицы MgH2 демонстрируют значительно улучшенную способность к десорбции водорода. Наноразмерный гидрид магния позволяет значительно снизить температуру аб/десорбции водорода и увеличить скорость ре/дегидрирования MgH2 за счет введения дефектов, укорачивания путей диффузии водорода, увеличения центров зарождения и дестабилизации связей Mg–H.
Простая сонохимическая обработка обеспечивает возможность образования низкоэнергетических гидридов, в частности, при обработке частицами магния. Например, Baidukova et al. (2026) продемонстрировали возможность образования низкоэнергетических гидридов в пористой матрице гидроксида магния с помощью сонохимической обработки частиц магния в водных суспензиях.

Сонохимически синтезированный нано-гидрид магния для эффективного хранения водорода

Полученные ультразвуком наночастицы гидрида магния обеспечивают обратимость температуры окружающей среды и 6,7 мас.% обратимого хранения водорода
Использование гидридов легких металлов в качестве носителей для хранения водорода является перспективным подходом к безопасному и эффективному хранению водорода. Один из конкретных гидридов металлов, гидрид магния (MgH2), вызвал значительный интерес из-за высокого содержания водорода и обилия магния в природе. Тем не менее, объемный MgH2 имеет недостаток, заключающийся в том, что он стабилен, выделяя водород только при очень высоких температурах более 300 °C. Это непрактично и неэффективно для приложений, связанных с хранением водорода.
Zhang et al. (2020) исследовали возможность обратимого хранения водорода при температуре окружающей среды путем создания ультрадисперсных наночастиц MgH2. Они использовали ультразвук для того, чтобы инициировать процесс метатезиса, который фактически является процессом двойного разложения. Ультразвуковая обработка наносилась на суспензию, состоящую из жидкости и твердых веществ, с целью создания наночастиц. Эти наночастицы, без каких-либо дополнительных каркасных структур, были успешно получены с размерами преимущественно около 4-5 нм. Для этих наночастиц y измерил обратимую емкость хранения водорода в размере 6,7 мас.% при 30°C, что является значительным достижением, которое не было продемонстрировано ранее. Это стало возможным благодаря термодинамической дестабилизации и уменьшению кинетических барьеров. Голые наночастицы также продемонстрировали стабильное и быстрое циклирование водорода в течение 50 циклов при 150°C, что является заметным улучшением по сравнению с объемным MgH2. Эти результаты показывают, что ультразвуковая обработка является потенциальным лечением, ведущим к повышению эффективности MgH2 для хранения водорода.
(ср. Zhang et al. 2020)

Распределение частиц по размерам ультрадисперсный MgH2 получают после ультразвуковой обработки.(исследование и график: ©Zhang et al., 2020)

Высокопроизводительные ультразвуковые аппараты для лечения гидридами магния

Сонохимия – Применение силового ультразвука в химических реакциях – является надежной технологией обработки, которая облегчает и ускоряет синтез, каталитические реакции и другие гетергенные реакции. Портфолио Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр от компактных лабораторных ультрасоний до промышленных сонохимических систем для всех видов химических применений, таких как гидролиз гидрида магния и его наноизмельчение? наноструктурирование. Это позволяет нам в Hielscher предложить вам наиболее подходящий ультразвуковой аппарат для вашего предполагаемого процесса MgH2. Наши многолетние опытные сотрудники помогут вам от технико-экономических испытаний и оптимизации процесса до установки вашей ультразвуковой системы на конечном производственном уровне.
Благодаря небольшой занимаемой площади наших ультразвуковых гомогенизаторов, а также универсальности вариантов установки они подходят даже для небольших производственных помещений. Ультразвуковые процессоры установлены во всем мире на предприятиях тонкой химии, нефтехимии и производства наноматериалов.

Пакетный и поточный

Сонохимическое оборудование Hielscher может использоваться для периодической и непрерывной проточной обработки. Ультразвуковая периодическая обработка идеально подходит для тестирования процессов, оптимизации и производства в малых и средних масштабах. Для производства больших объемов материалов поточная обработка может быть более выгодной. Непрерывный процесс поточного смешивания требует сложной настройки – состоящий в виде насоса, шлангов или труб и баков -, но он отличается высокой эффективностью, скоростью и требует значительно меньших трудозатрат. Hielscher Ultrasonics предлагает наиболее подходящую сонохимическую установку для вашей реакции соносинтеза, объема обработки и целей.

Ультразвуковые зонды и реакторы для гидролиза MgH2 в любых масштабах

Ассортимент продукции Hielscher Ultrasonics охватывает весь спектр ультразвуковых процессоров от компактных лабораторных ультразвуковых аппаратов до настольных и пилотных систем до полностью промышленных ультразвуковых процессоров с производительностью обработки грузовых автомобилей в час. Полный ассортимент продукции позволяет нам предложить вам наиболее подходящий ультразвуковой гомогенизатор для вашей технологической мощности и производственных целей.
Ультразвуковые настольные системы идеально подходят для технико-экономических испытаний и оптимизации процессов. Линейное масштабирование на основе установленных технологических параметров позволяет очень легко увеличить перерабатывающие мощности от небольших партий до полностью коммерческого производства. Масштабирование может быть выполнено либо путем установки более мощного ультразвукового блока, либо параллельной кластеризации нескольких ультразвуковых аппаратов. С UIP16000 компания Hielscher предлагает самый мощный ультразвуковой гомогенизатор в мире.

Точно контролируемые амплитуды для достижения оптимальных результатов

Все ультразвуковые аппараты Hielscher являются точно управляемыми и, следовательно, надежными рабочими лошадками в производстве. Амплитуда является одним из важнейших параметров процесса, влияющих на эффективность и результативность сонохимических реакций Все ультразвуковые процессоры Hielscher позволяют точно настраивать амплитуду. Сонотроды и бустерные рупоры – это аксессуары, которые позволяют изменять амплитуду в еще более широком диапазоне. Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher могут обеспечивать очень высокую амплитуду и необходимую интенсивность ультразвука для требовательных приложений. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7.
Точная настройка амплитуды и постоянный мониторинг параметров ультразвукового процесса с помощью интеллектуального программного обеспечения дают вам возможность обрабатывать ваши реактиваторы в наиболее эффективных ультразвуковых условиях. Оптимальная ультразвук для выдающейся скорости химического превращения!
Надежность ультразвукового оборудования Hielscher позволяет работать в режиме 24/7 в тяжелых условиях и в сложных условиях. Это делает ультразвуковое оборудование Hielscher надежным рабочим инструментом, отвечающим вашим требованиям к химическим процессам.

Высочайшее качество – Разработано и произведено в Германии

Будучи семейным предприятием, Hielscher отдает приоритет высочайшим стандартам качества своих ультразвуковых процессоров. Все ультразвуковые аппараты спроектированы, изготовлены и тщательно протестированы в нашем головном офисе в Тельтове недалеко от Берлина, Германия. Прочность и надежность ультразвукового оборудования Hielscher делают его рабочей лошадкой на вашем производстве. Работа в режиме 24/7 при полной нагрузке и в сложных условиях является естественной характеристикой высокопроизводительных миксеров Hielscher.
Промышленные ультразвуковые процессоры Hielscher Ultrasonics могут обеспечивать очень высокую амплитуду. Амплитуды до 200 мкм могут легко работать непрерывно в режиме 24/7. Для еще более высоких амплитуд доступны индивидуальные ультразвуковые сонотроды.

В таблице ниже приведена примерная производительность обработки наших ультразвуковых аппаратов: