Nanohydrid horečnatý ako efektívne skladovanie vodíka

Sonikácia sa aplikuje na hydrid horečnatý s cieľom urýchliť hydrolýzu hydridu horečnatého na zvýšenie tvorby vodíka. Okrem toho ultrazvukovo nanoštruktúrovaný hydrid horečnatý, t. j. nanočastice MgH2, vykazujú zlepšenú kapacitu na ukladanie vodíka.

Hydrid horečnatý na skladovanie vodíka

Hydrid horečnatý, MgH₂, pritiahla širokú pozornosť ako možnosť skladovania vodíka. Hlavnými výhodami sú jeho bohaté zdroje, vysoký výkon, nízka hmotnosť, nízke náklady a bezpečnosť. V porovnaní s inými hydridmi použiteľnými na skladovanie vodíka, MgH₂ má najvyššiu hustotu skladovania vodíka až 7,6 hm. Vodík sa môže skladovať v Mg vo forme hydridov kovov na báze Mg. Proces syntézy MgH2 je známy ako disociatívna chemisorpcia. Bežnou metódou výroby hydridu kovu na báze Mg z Mg a H2 je tvorba pri teplote 300–400 °C a tlaku vodíka 2.4–40 MPa. Formačná rovnica je nasledovná: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Vysoké tepelné spracovanie prichádza s významnými degradačnými účinkami hydridov, ako je rekryštalizácia, fázová segregácia, aglomerácia nanočastíc atď. Okrem toho vysoké teploty a tlaky spôsobujú, že tvorba MgH2 je energeticky náročná, zložitá a tým aj nákladná.

Ultrazvuková hydrolýza hydridu horečnatého

Hiroi et al. (2011) preukázali, že sonikácia nanočastíc MgH2 a nanovlákien zintenzívnila hydrolýznu reakciu MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. V tejto štúdii nanovlákna MgH2 vykazovali maximálnu kapacitu skladovania vodíka 14,4 hmotnostného percenta pri izbovej teplote. Okrem toho vedci preukázali, že kombinácia sonikácie a hydrolýzy MgH2 je značne účinná na efektívnu výrobu vodíka bez zahrievania a pridávania akéhokoľvek chemického činidla. Zistili tiež, že nízkofrekvenčný ultrazvuk je najúčinnejšou metódou na získanie vysokého miery konverzie. Rýchlosť hydrolýzy pri nízkofrekvenčnej sonikácii "dosiahla až 76 % z hľadiska stupňa reakcie pri 7,2 ks pri ultrazvukovej frekvencii 28 kHz. Táto hodnota bola viac ako 15-násobkom hodnoty získanej v prípade nesonikovanej vzorky, čo naznačuje ekvivalentnú hustotu vodíka 11,6 hmotnostného % na základe hmotnosti MgH2."
Výsledky odhalili, že ultrazvuk zlepší hydrolýznu reakciu MgH2 zvýšením konštanty rýchlosti reakcie v dôsledku generovania radikálov a exfoliáciou pasívnej vrstvy Mg(OH)2 nad nezreagovaným MgH2 v dôsledku generovania veľkých šmykových síl. (Hiroi a kol. 2011)

Problém: Pomalá hydrolýza hydridu horečnatého

Skúmala sa podpora hydrolýzy hydridu horečnatého prostredníctvom guľového mletia, úpravy horúcej vody alebo chemických prísad, ale nezistilo sa, že by významne zvýšila mieru chemickej konverzie. Pokiaľ ide o pridávanie chemikálií, chemické prísady, ako sú pufrovacie činidlá, chelátory a iónomeniče, ktoré pomohli zabrániť tvorbe pasivačnej vrstvy Mg(OH)2, vytvorili nečistoty v procese cyklovania po Mg.

Riešenie: Ultrazvuková dispergácia hydridu horečnatého

Ultrazvuková dispergácia a mokré mletie je vysoko účinná technika na výrobu nanočastíc a kryštálov s veľmi úzkou distribučnou krivkou. Rovnomerným rozptýlením hydridu horečnatého v nanoveľkosti sa aktívna plocha výrazne zväčší. Okrem toho sonikácia odstraňuje pasivačné vrstvy a zvyšuje prenos hmoty pre vynikajúce miery chemickej premeny. Ultrazvukové frézovanie, dispergovanie, deaglomerácia a čistenie povrchu častíc vynikajú iné techniky frézovania v účinnosti, spoľahlivosti a jednoduchosti.

Ultrazvukové mokré mletie a dispergovanie je vysoko účinná metóda na zmenšenie veľkosti častíc, napr. hydridu horečnatého

Nanoštruktúrovaný hydrid horečnatý ako zlepšené ukladanie vodíka

Bolo vedecky dokázané, že nanoštruktúrovanie hydridov horečnatých je účinnou stratégiou, ktorá umožňuje súčasne zlepšiť ab/desorpčné termodynamické a kinetické vlastnosti MgH2. Nanoštruktúrované štruktúry na báze horčíka, ako sú nanočastice MgH2 a nanovlákna, možno ďalej zlepšiť znížením veľkosti častíc a zŕn, čím sa zníži ich entalpie tvorby hydridov ΔH. Výpočty odhalili, že reakčná bariéra pre rozklad nanorozmerného MgH2 bola pozoruhodne nižšia ako bariéra objemového MgH2, čo naznačuje, že nanoštruktúrne inžinierstvo MgH2 je termodynamicky a kineticky priaznivé pre zvýšený výkon. (porovnaj Ren a kol., 2023)

Porovnanie energetických bariér pre absorpciu a desorpciu vodíka objemového MgH2 a nanoštruktúrovaného ultrajemného MgH2.
(štúdia a graf: ©Zhang et al., 2020)

Ultrazvukové nanodimenzovanie a nanoštruktúrovanie hydridu horečnatého

Ultrazvukové nanoštruktúrovanie je vysoko účinná technika, ktorá umožňuje zmeniť termodynamiku hydridu horečnatého bez ovplyvnenia kapacity vodíka. Ultrajemné nanočastice MgH2 vykazujú výrazne zlepšenú kapacitu desorpcie vodíka. Nano-dimenzovanie hydridu horečnatého je spôsob, ako výrazne znížiť teplotu ab-/desorpcie vodíka a zvýšiť rýchlosť re/dehydrogenácie MgH2 v dôsledku zavedenia defektov, skrátenia ciest difúzie vodíka, zväčšenia nukleačných miest a destabilizácie väzby Mg-H.
Jednoduchá sonochemická úprava poskytuje možnosť tvorby nízkoenergetických hydridov, najmä v prípade úpravy horčíkových častíc. Napríklad Baidukova et al. (2026) preukázali možnosť tvorby nízkoenergetických hydridov v poréznej matrici hydroxidu horečnatého a horečnatého pomocou sonochemického spracovania častíc horčíka vo vodných suspenziách.

Sonochemicky syntetizovaný nanohydrid horečnatý pre efektívne skladovanie vodíka

Ultrazvukovo pripravené nanočastice hydridu horečnatého dosahujú reverzibilnosť okolitej teploty 6,7 % hmotnosti reverzibilného ukladania vodíka
Používanie hydridov ľahkých kovov ako nosičov na skladovanie vodíka je sľubným prístupom k bezpečnému a efektívnemu skladovaniu vodíka. Jeden konkrétny hydrid kovu, hydrid horečnatý (MgH2), si získal značný záujem vďaka vysokému obsahu vodíka a množstvu horčíka v prírode. Objemový MgH2 má však nevýhodu v tom, že je stabilný, uvoľňuje vodík iba pri veľmi vysokých teplotách nad 300 °C. To je nepraktické a neefektívne pre aplikácie súvisiace so skladovaním vodíka.
Zhang et al. (2020) skúmali možnosť reverzibilného ukladania vodíka pri teplote okolia vytvorením ultrajemných nanočastíc MgH2. Použili sonikaciu na začatie procesu metatézy, ktorý je v skutočnosti procesom dvojitého rozkladu. Sonikácia bola aplikovaná na suspenziu pozostávajúcu z kvapaliny a pevných látok za účelom vytvorenia nanočastíc. Tieto nanočastice, bez akýchkoľvek ďalších štruktúr lešenia, boli úspešne vyrobené s veľkosťou prevažne okolo 4-5 nm. V prípade týchto nanočastíc y nameral reverzibilnú kapacitu ukladania vodíka 6,7 % hmotnosti pri 30 °C, čo je významný úspech, ktorý predtým nebol preukázaný. To bolo možné vďaka termodynamickej destabilizácii a zníženiu kinetických bariér. Holé nanočastice tiež vykazovali stabilné a rýchle správanie pri cyklovaní vodíka počas 50 cyklov pri 150 °C, čo je výrazné zlepšenie v porovnaní s objemovým MgH2. Tieto zistenia predstavujú sonikáciu ako potenciálnu liečbu vedúcu k vyššej účinnosti MgH2 na skladovanie vodíka.
(porovnaj Zhang et al. 2020)

Distribúcia veľkosti častíc ultrajemný MgH2 pripravený po sonikácii.
(štúdia a graf: ©Zhang et al., 2020)

Vysokovýkonné ultrazvukové prístroje na ošetrenie hydridom horečnatým

Sonochémia – Aplikácia výkonového ultrazvuku na chemické reakcie – je spoľahlivá technológia spracovania, ktorá uľahčuje a urýchľuje syntézy, katalytické reakcie a iné hetergénne reakcie. Portfólio spoločnosti Hielscher Ultrasonics pokrýva celý rad od kompaktných laboratórnych ultrazvukov až po priemyselné sonochemické systémy pre všetky druhy chemických aplikácií, ako je hydrolýza hydridu horečnatého a jeho nanomletie / nanoštruktúrovanie. To nám v spoločnosti Hielscher umožňuje ponúknuť vám najvhodnejší ultrazvuk pre váš plánovaný proces MgH2. Náš dlhoročný skúsený personál vám pomôže od testov uskutočniteľnosti a optimalizácie procesov až po inštaláciu vášho ultrazvukového systému na úrovni finálnej výroby.
Vďaka malej stope našich ultrazvukových homogenizátorov, ako aj ich všestrannosti v možnostiach inštalácie sa hodia aj do malých priestorových spracovateľských zariadení. Ultrazvukové procesory sú inštalované po celom svete v zariadeniach na výrobu jemnej chémie, petrochémie a nanomateriálov.

Dávka a inline

Hielscher sonochemické vybavenie je možné použiť na dávkové a kontinuálne prietokové spracovanie. Ultrazvukové dávkové spracovanie je ideálne na testovanie procesov, optimalizáciu a malú až strednú úroveň výroby. Pri výrobe veľkých objemov materiálov môže byť výhodnejšie inline spracovanie. Kontinuálny proces inline miešania si vyžaduje sofistikované nastavenie – pozostávajúci z čerpadla, hadíc alebo potrubí a nádrží - je však vysoko efektívny, rýchly a vyžaduje podstatne menej práce. Spoločnosť Hielscher Ultrasonics má najvhodnejšie sonochemické nastavenie pre vašu reakciu sonosyntézy, objem spracovania a ciele.

Ultrazvukové sondy a reaktory na hydrolýzu MgH2 v akomkoľvek rozsahu

Sortiment produktov Hielscher Ultrasonics pokrýva celé spektrum ultrazvukových procesorov od kompaktných laboratórnych ultrazvukových procesorov cez stolové a pilotné systémy až po plne priemyselné ultrazvukové procesory s kapacitou spracovať nákladné vozidlá za hodinu. Celý sortiment nám umožňuje ponúknuť vám najvhodnejší ultrazvukový homogenizátor pre vašu procesnú kapacitu a výrobné ciele.
Ultrazvukové stolové systémy sú ideálne na testovanie uskutočniteľnosti a optimalizáciu procesov. Lineárne škálovanie na základe stanovených procesných parametrov veľmi uľahčuje zvýšenie spracovateľských kapacít z menších dávok na plne komerčnú výrobu. Zvýšenie škálovania je možné vykonať buď inštaláciou výkonnejšej ultrazvukovej jednotky, alebo paralelným zoskupením niekoľkých ultrazvukových prístrojov. S UIP16000 ponúka spoločnosť Hielscher najvýkonnejší ultrazvukový homogenizátor na svete.

Presne regulovateľné amplitúdy pre optimálne výsledky

Všetky ultrazvukové prístroje Hielscher sú presne ovládateľné, a tým spoľahlivé pracovné kone vo výrobe. Amplitúda je jedným z rozhodujúcich procesných parametrov, ktoré ovplyvňujú účinnosť a účinnosť sonochemických reakcií Všetky procesory Hielscher Ultrasonics umožňujú presné nastavenie amplitúdy. Sonotródy a posilňovacie klaksóny sú príslušenstvo, ktoré umožňuje upraviť amplitúdu v ešte širšom rozsahu. Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy a dodávať požadovanú intenzitu ultrazvuku pre náročné aplikácie. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni.
Presné nastavenie amplitúdy a trvalé monitorovanie parametrov ultrazvukového procesu pomocou inteligentného softvéru vám dávajú možnosť liečiť vaše reaganty najúčinnejšími ultrazvukovými podmienkami. Optimálna sonikácia pre vynikajúcu mieru chemickej premeny!
Robustnosť ultrazvukových zariadení Hielscher umožňuje prevádzku 24 hodín denne, 7 dní v týždni pri náročných nákladoch a v náročných prostrediach. Vďaka tomu je ultrazvukové zariadenie Hielscher spoľahlivým pracovným nástrojom, ktorý spĺňa vaše požiadavky na chemické procesy.

Najvyššia kvalita – Navrhnuté a vyrobené v Nemecku

Ako rodinný a rodinný podnik uprednostňuje spoločnosť Hielscher pre svoje ultrazvukové procesory najvyššie štandardy kvality. Všetky ultrazvukové prístroje sú navrhnuté, vyrobené a dôkladne testované v našej centrále v Teltowe neďaleko Berlína v Nemecku. Robustnosť a spoľahlivosť ultrazvukového zariadenia Hielscher z neho robí ťažného koňa vo vašej výrobe. Prevádzka 24/7 pri plnom zaťažení a v náročných prostrediach je prirodzenou charakteristikou vysokovýkonných mixérov Hielscher.
Priemyselné ultrazvukové procesory Hielscher Ultrasonics môžu poskytovať veľmi vysoké amplitúdy. Amplitúdy až 200 μm je možné ľahko nepretržite prevádzkovať v prevádzke 24 hodín denne, 7 dní v týždni. Pre ešte vyššie amplitúdy sú k dispozícii prispôsobené ultrazvukové sonotródy.

Nasledujúca tabuľka vám poskytuje približnú kapacitu spracovania našich ultrazvukových prístrojov: