Magnezijev hidrid nano velikosti kot učinkovito shranjevanje vodika

Ultrazvočno razbijanje se uporablja za magnezijev hidrid, da se pospeši hidroliza magnezijevega hidrida za povečanje proizvodnje vodika. Poleg tega ultrazvočno nanostrukturirani magnezijev hidrid, tj. nanodelci MgH2, kažejo izboljšano zmogljivost shranjevanja vodika.

Magnezijev hidrid za shranjevanje vodika

Magnezijev hidrid, MgH₂, je pritegnila veliko pozornosti kot možnost shranjevanja vodika. Glavne prednosti so obilni viri, visoka zmogljivost, majhna teža, poceni in varnost. V primerjavi z drugimi hidridi, ki se uporabljajo za shranjevanje vodika, MgH₂ ima najvišjo gostoto shranjevanja vodika do 7,6 mas. %. Vodik se lahko shranjuje v Mg v obliki kovinskih hidridov na osnovi Mg. Proces sinteze MgH2 je znan kot disociativna kemisorpcija. Običajna metoda za proizvodnjo kovinskega hidrida na osnovi Mg iz Mg in H2 je tvorba pri temperaturi 300–400 °C in vodikovem tlaku 2,4–40 MPa. Enačba oblikovanja je naslednja: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Visoka toplotna obdelava ima pomembne učinke razgradnje hidridov, kot so rekristalizacija, fazna segregacija, aglomeracija nanodelcev itd. Poleg tega je zaradi visokih temperatur in tlakov nastajanje MgH2 energetsko intenzivno, zapleteno in s tem drago.

Ultrazvočna hidroliza magnezijevega hidrida

Hiroi et al. (2011) demonstrated that sonication of MgH2 nano-particles and nanofibres intensified the hydrolysis reaction MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 kJ. In this study, the MgH2 nanofibers exhibited the maximum hydrogen storage capacity of 14.4 mass% at room temperature. Additionally, the researchers demonstrated that a combination of sonication and MgH2 hydrolysis is considerably effective for efficiently generating hydrogen without heating and adding any chemical agent. They also found that low frequency ultrasound was the most efficient method in order to obtain a high conversion rate. The hydrolysis rate at low frequency sonication “reached as high as 76% in terms of the reaction degree at 7.2 ks at an ultrasonic frequency of 28 kHz. This value was more than 15 times the value obtained in the case of the non-sonicated sample, indicating an equivalent hydrogen density of 11.6 mass% on the basis of the weight of MgH2.”
Rezultati so pokazali, da bo ultrazvok okrepil reakcijo hidrolize MgH2 s povečanjem konstante hitrosti reakcije zaradi nastajanja radikalov in luščenja pasivne plasti Mg(OH)2 nad nereagiranim MgH2 zaradi ustvarjanja velikih strižnih sil. (Hiroi et al. 2011)

Težava: počasna hidroliza magnezijevega hidrida

Raziskali so pospeševanje hidrolize magnezijevega hidrida s krogličnim mletjem, obdelavo z vročo vodo ali kemičnimi dodatki, vendar ni bilo ugotovljeno, da bi bistveno povečali stopnjo kemične pretvorbe. Kar zadeva dodajanje kemikalij, so kemični dodatki, kot so puferska sredstva, kelatorji in ionski izmenjevalci, ki so pomagali preprečiti nastanek pasivizirajoče plasti Mg(OH)2, povzročili nečistoče v procesu cikliranja po Mg.

Rešitev: Ultrazvočna disperzija magnezijevega hidrida

Ultrazvočna disperzija in mokro mletje je zelo učinkovita tehnika za proizvodnjo nano-velikih delcev in kristalov z zelo ozko krivuljo porazdelitve. Z enakomerno razprševanjem magnezijevega hidrida v nanovelikosti se aktivna površina znatno poveča. Poleg tega ultrazvočna obdelava odstrani pasivizirajoče plasti in poveča prenos mase za vrhunske stopnje kemične pretvorbe. Ultrazvočno rezkanje, razprševanje, deaglomeracija in čiščenje površine delcev odlikujejo druge tehnike rezkanja v učinkovitosti, zanesljivosti in preprostosti.

Ultrazvočno mokro mletje in razprševanje je zelo učinkovita metoda za zmanjšanje velikosti delcev, npr. magnezijevega hidrida

Nanostrukturirani magnezijev hidrid kot izboljšano shranjevanje vodika

Znanstveno je dokazano, da je nanostrukturiranje magnezijevih hidridov učinkovita strategija, ki omogoča hkratno izboljšanje abs/desorpcijske termodinamične in kinetične lastnosti MgH2. Nano-velike/nanostrukturirane strukture na osnovi magnezija, kot so nanodelci MgH2 in nanovlakna, se lahko dodatno izboljšajo z zmanjšanjem velikosti delcev in zrn, s čimer se zmanjša njihova entalpija pri tvorbi hidridov ΔH. Izračuni so pokazali, da je reakcijska ovira za razgradnjo nano-velikosti MgH2 presenetljivo nižja od razsutega MgH2, kar kaže, da je nanostrukturni inženiring MgH2 termodinamično in kinetično ugoden za izboljšano zmogljivost. (prim. Ren et al., 2023)

Primerjava energijskih ovir za absorpcijo in desorpcijo vodika v razsutem stanju MgH2 in nanostrukturiranega ultrafinega MgH2.(študija in graf: ©Zhang et al., 2020)

Ultrazvočno nanodimenzioniranje in nanostrukturiranje magnezijevega hidrida

Ultrazvočno nanostrukturiranje je zelo učinkovita tehnika, ki omogoča spreminjanje termodinamike magnezijevega hidrida, ne da bi to vplivalo na zmogljivost vodika. Ultrafini nanodelci MgH2 kažejo znatno izboljšano sposobnost desorpcije vodika. Nano-dimenzioniranje magnezijevega hidrida je način za znatno zmanjšanje temperature abs-/desorpcije vodika in povečanje hitrosti ponovnega? de-hidrogeniranja MgH2 zaradi uvedbe napak, skrajšanja vodikovih difuzijskih poti, povečanja nukleacijskih mest in destabilizacije vezi Mg-H.
Enostavna sonokemična obdelava zagotavlja možnost nastajanja nizkoenergijskih hidridov, zlasti v primeru obdelave z magnezijevimi delci. Na primer, Baidukova et al. (2026) so pokazali možnost tvorbe nizkoenergijskih hidridov v porozni matrici magnezijevega hidroksida s pomočjo sonokemične obdelave magnezijevih delcev v vodnih suspenzijah.

Sonokemično sintetizirani nano-magnezijev hidrid za učinkovito shranjevanje vodika

Ultrazvočno pripravljeni nanodelci magnezijevega hidrida dosežejo reverzibilnost pri temperaturi okolja 6,7 mas. % reverzibilnega shranjevanja vodika
Uporaba hidridov lahkih kovin kot nosilcev za shranjevanje vodika je obetaven pristop za varno in učinkovito shranjevanje vodika. Eden od posebnih kovinskih hidridov, magnezijev hidrid (MgH2), je pridobil veliko zanimanje zaradi visoke vsebnosti vodika in obilja magnezija v naravi. Vendar pa ima MgH2 v razsutem stanju pomanjkljivost, da je stabilen, saj sprošča vodik le pri zelo visokih temperaturah nad 300 °C. To je nepraktično in neučinkovito za aplikacije, povezane s shranjevanjem vodika.
(2020) so raziskali možnost reverzibilnega shranjevanja vodika pri sobni temperaturi z ustvarjanjem ultrafinih nanodelcev MgH2. Uporabili so ultrazvočno razgradnjo, da bi sprožili proces metateze, ki je dejansko proces dvojne razgradnje. Sonication je bil uporabljen za gnojevko, sestavljeno iz tekočine in trdnih snovi, z namenom ustvarjanja nanodelcev. Ti nanodelci, brez dodatnih struktur odra, so bili uspešno proizvedeni z velikostmi pretežno okoli 4-5 nm. Za te nanodelce je y izmeril reverzibilno zmogljivost shranjevanja vodika 6,7 mas. % pri 30 °C, kar je pomemben dosežek, ki še ni bil dokazan. To je bilo mogoče s termodinamično destabilizacijo in zmanjšanjem kinetičnih ovir. Goli nanodelci so pokazali tudi stabilno in hitro obnašanje vodikovega cikla v 50 ciklih pri 150 ° C, kar je opazno izboljšanje v primerjavi z razsutim MgH2. Te ugotovitve predstavljajo ultrazvočno razbijanje kot potencialno zdravljenje, ki vodi do večje učinkovitosti MgH2 za shranjevanje vodika.
(prim. Zhang et al. 2020)

Porazdelitev velikosti delcev ultrafina MgH2, pripravljena po ultrazvočnem razbivanju.(študija in graf: ©Zhang et al., 2020)

Visoko zmogljivi ultrazvočni aparati za obdelavo magnezijevega hidrida

Sonokemija – Uporaba močnega ultrazvoka v kemijskih reakcijah – je zanesljiva tehnologija obdelave, ki olajša in pospeši sinteze, katalitične reakcije in druge hetergene reakcije. Portfelj Hielscher Ultrasonics zajema celoten razpon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih aparatov do industrijskih sonokemičnih sistemov za vse vrste kemičnih aplikacij, kot je hidroliza magnezijevega hidrida in njegovo nano-mletje? nanostrukturiranje. To nam pri Hielscherju omogoča, da vam ponudimo najprimernejši ultrazvočni aparat za vaš predvideni proces MgH2. Naše dolgoletno izkušeno osebje vam bo pomagalo od preskusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema na končni proizvodni ravni.
Majhen odtis naših ultrazvočnih homogenizatorjev in njihova vsestranskost pri možnostih namestitve jih prilegajo tudi v objekte za obdelavo majhnih prostorov. Ultrazvočni procesorji so nameščeni po vsem svetu v fini kemiji, petrokemiji in proizvodnih obratih nanomaterialov.

Paketno in v vrstici

Hielscher sonokemična oprema se lahko uporablja za šaržno in neprekinjeno pretočno obdelavo. Ultrazvočna serijska obdelava je idealna za testiranje procesov, optimizacijo in majhno do srednje veliko raven proizvodnje. Za proizvodnjo velikih količin materialov je lahko ugodnejša linijska obdelava. Neprekinjen postopek mešanja v liniji zahteva prefinjeno nastavitev – sestavljen iz črpalke, cevi ali cevi in rezervoarjev -, vendar je zelo učinkovit, hiter in zahteva bistveno manj dela. Hielscher Ultrasonics ima najprimernejšo sonokemično nastavitev za vašo sono-sintezno reakcijo, obseg obdelave in cilje.

Ultrazvočne sonde in reaktorji za hidrolizo MgH2 v poljubnem obsegu

Paleta izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten spekter ultrazvočnih procesorjev od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih naprav preko namiznih in pilotnih sistemov do popolnoma industrijskih ultrazvočnih procesorjev z zmogljivostjo obdelave tovornjakov na uro. Celotna paleta izdelkov nam omogoča, da vam ponudimo najprimernejši ultrazvočni homogenizator za vašo procesno zmogljivost in proizvodne cilje.
Ultrazvočni namizni sistemi so idealni za testiranje izvedljivosti in optimizacijo procesov. Linearno povečanje na podlagi uveljavljenih procesnih parametrov omogoča zelo enostavno povečanje predelovalnih zmogljivosti od manjših serij do popolnoma komercialne proizvodnje. Povečanje obsega se lahko izvede z namestitvijo močnejše ultrazvočne enote ali vzporedno združevanjem več ultrazvočnih zvočnikov. S UIP16000 Hielscher ponuja najmočnejši ultrazvočni homogenizator po vsem svetu.

Natančno nadzorovane amplitude za optimalne rezultate

Vsi Hielscher ultrazvočni aparati so natančno nadzorovani in s tem zanesljivi delovni konji v proizvodnji. Amplituda je eden ključnih procesnih parametrov, ki vplivajo na učinkovitost in uspešnost sonokemijskih reakcij Vsi Hielscher Ultrasonics procesorji omogočajo natančno nastavitev amplitude. Sonotrode in pospeševalni rogovi so dodatki, ki omogočajo spreminjanje amplitude v še širšem obsegu. Hielscher industrijski ultrazvočni procesorji lahko zagotovijo zelo visoke amplitude in zagotovijo zahtevano ultrazvočno intenzivnost za zahtevne aplikacije. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju.
Natančne nastavitve amplitude in stalno spremljanje parametrov ultrazvočnega procesa s pametno programsko opremo vam omogočajo, da svoje reagante zdravite z najučinkovitejšimi ultrazvočnimi pogoji. Optimalna ultrazvočna obdelava za izjemno stopnjo kemične pretvorbe!
The robustness of Hielscher ultrasonic equipment allows for 24/7 operation at heavy duty and in demanding environments. This makes Hielscher’s ultrasonic equipment a reliable work tool that fulfils your chemical process requirements.

Najvišja kakovost – Zasnovano in izdelano v Nemčiji

As a family-owned and family-run business, Hielscher prioritizes highest quality standards for its ultrasonic processors. All ultrasonicators are designed, manufactured and thoroughly tested in our headquarter in Teltow near Berlin, Germany. Robustness and reliability of Hielscher ultrasonic equipment make it a work horse in your production. 24/7 operation under full load and in demanding environments is a natural characteristic of Hielscher’s high-performance mixers.
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotovijo zelo visoke amplitude. Amplitude do 200 μm se lahko enostavno neprekinjeno izvajajo v 24/7 delovanju. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.

Spodnja tabela vam prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih aparatov: