Magnezijev hidrid nanometrske velikosti za učinkovito shranjevanje vodika

Sonikacija se uporablja za pospeševanje hidrolize magnezijevega hidrida, da bi povečali nastajanje vodika. Poleg tega ima ultrazvočno nanostrukturirani magnezijev hidrid, tj. nanodelci MgH₂, izboljšano zmogljivost shranjevanja vodika.

Magnezijev hidrid za shranjevanje vodika

Magnezijev hidrid, MgH₂, je pritegnil veliko pozornosti kot možnost za shranjevanje vodika. Njegove glavne prednosti so obilna razpoložljivost virov, visoka učinkovitost, majhna masa, nizki stroški in varnost. V primerjavi z drugimi hidridi, uporabnimi za shranjevanje vodika, ima MgH₂ najvišje gostote shranjevanja vodika, in sicer do 7,6 wt %. Vodik je mogoče shranjevati v Mg v obliki kovinskih hidridov na osnovi Mg. Postopek sinteze MgH₂ je znan kot disociativna kemisorpcija. Običajna metoda za pridobivanje kovinskega hidrida na osnovi Mg iz Mg in H2 je nastajanje pri temperaturi 300–400°C in tlaku vodika 2,4–40 MPa. Enačba nastajanja je naslednja: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Toplotna obdelava pri visoki temperaturi povzroča znatno degradacijo hidridov, na primer rekristalizacijo, segregacijo faz, aglomeracijo nanodelcev itd. Poleg tega je zaradi visokih temperatur in tlakov pridobivanje MgH2 energetsko intenzivno, zapleteno in zato drago.

Ultrazvočna hidroliza magnezijevega hidrida

Hiroi et al. (2011) so dokazali, da sonikacija nanodelcev in nanovlaken MgH₂ intenzivira reakcijo hidrolize MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. V tej študiji so nanovlakna MgH₂ pri sobni temperaturi izkazovala največjo zmogljivost shranjevanja vodika 14,4 mass%. Poleg tega so raziskovalci dokazali, da je kombinacija sonikacije in hidrolize MgH₂ zelo učinkovita za učinkovito pridobivanje vodika brez segrevanja in dodajanja kakršnega koli kemičnega sredstva. Ugotovili so tudi, da je bil nizkofrekvenčni ultrazvok najučinkovitejša metoda za doseganje visoke stopnje pretvorbe. Stopnja hidrolize pri nizkofrekvenčni sonikaciji je »dosegla kar 76% glede na stopnjo reakcije pri 7,2 ks in ultrazvočni frekvenci 28 kHz. Ta vrednost je bila več kot 15-krat večja od vrednosti, dobljene pri nesonikiranem vzorcu, kar kaže na ekvivalentno gostoto vodika 11,6 mass% glede na maso MgH₂.«
Rezultati so pokazali, da ultrazvok izboljša reakcijo hidrolize MgH₂ s povečanjem konstante hitrosti reakcije zaradi nastajanja radikalov in z luščenjem pasivne plasti Mg(OH)₂ nad nezreagiranim MgH₂ zaradi nastajanja velikih strižnih sil. (Hiroi et al. 2011)

Težava: počasna hidroliza magnezijevega hidrida

Raziskovali so spodbujanje hidrolize magnezijevega hidrida s krogličnim mletjem, obdelavo z vročo vodo ali kemičnimi dodatki, vendar niso ugotovili znatnega izboljšanja stopnje kemijske pretvorbe. Pri dodajanju kemikalij so kemični dodatki, kot so pufrska sredstva, kelatorji in ionski izmenjevalci, ki so pomagali preprečevati nastajanje pasivirajoče plasti Mg(OH)₂, povzročali nečistoče v procesu cikliranja post-Mg.

Rešitev: ultrazvočno dispergiranje magnezijevega hidrida

Ultrazvočno dispergiranje in mokro mletje sta zelo učinkoviti tehniki za pridobivanje delcev in kristalov nanometrske velikosti z zelo ozko porazdelitveno krivuljo. Z enakomernim dispergiranjem magnezijevega hidrida v nanometrski velikosti se aktivna površina znatno poveča. Poleg tega sonikacija odstranjuje pasivirajoče plasti in povečuje prenos snovi, kar omogoča višje stopnje kemijske pretvorbe. Ultrazvočno mletje, dispergiranje, deaglomeracija in čiščenje površine delcev prekašajo druge tehnike mletja po učinkovitosti, zanesljivosti in preprostosti.

Ultrazvočno mokro mletje in dispergiranje sta zelo učinkoviti metodi za zmanjševanje velikosti delcev, na primer magnezijevega hidrida

Nanostrukturirani magnezijev hidrid za izboljšano shranjevanje vodika

Znanstveno je dokazano, da je nanostrukturiranje magnezijevih hidridov učinkovita strategija, ki omogoča hkratno izboljšanje termodinamičnih in kinetičnih lastnosti absorpcije in desorpcije pri MgH2. Strukture nanometrske velikosti oziroma nanostrukturirane strukture na osnovi magnezija, kot so nanodelci in nanovlakna MgH2, je mogoče dodatno izboljšati z zmanjšanjem velikosti delcev in zrn ter s tem znižanjem njihove entalpije nastajanja hidrida ΔH. Izračuni so pokazali, da je bila reakcijska pregrada za razgradnjo MgH2 nanometrske velikosti občutno nižja kot pri masivnem MgH2, kar kaže, da je načrtovanje nanostrukture MgH2 termodinamično in kinetično ugodno za izboljšano učinkovitost. (prim. Ren et al., 2023)

Primerjava energijskih pregrad za absorpcijo in desorpcijo vodika pri masivnem MgH₂ in nanostrukturiranem ultrafinem MgH₂.
(študija in graf: ©Zhang et al., 2020)

Ultrazvočno zmanjševanje velikosti in nanostrukturiranje magnezijevega hidrida

Ultrazvočno nanostrukturiranje je zelo učinkovita tehnika, ki omogoča spreminjanje termodinamike magnezijevega hidrida brez vpliva na zmogljivost shranjevanja vodika. Ultrafini nanodelci MgH₂ izkazujejo znatno izboljšano zmogljivost desorpcije vodika. Zmanjševanje magnezijevega hidrida na nanometrsko velikost je način za znatno znižanje temperature absorpcije in desorpcije vodika ter povečanje hitrosti ponovne hidrogenacije in dehidrogenacije MgH₂ zaradi uvedbe napak, skrajšanja difuzijskih poti vodika, povečanja števila mest nukleacije in destabilizacije vezi Mg–H.
Preprosta sonokemijska obdelava omogoča nastajanje nizkoenergijskih hidridov, zlasti pri obdelavi magnezijevih delcev. Baidukova et al. (2026) so na primer dokazali možnost nastajanja nizkoenergijskih hidridov v porozni matrici magnezija in magnezijevega hidroksida s sonokemijsko obdelavo magnezijevih delcev v vodnih suspenzijah.

Sonokemijsko sintetizirani nanomagnezijev hidrid za učinkovito shranjevanje vodika

Ultrazvočno pripravljeni nanodelci magnezijevega hidrida omogočajo reverzibilno shranjevanje 6,7 wt% vodika pri temperaturi okolice
Uporaba lahkih kovinskih hidridov kot nosilcev za shranjevanje vodika je obetaven pristop za varno in učinkovito shranjevanje vodika. Posebej veliko zanimanja je zaradi visoke vsebnosti vodika in obilne razpoložljivosti magnezija v naravi vzbudil magnezijev hidrid (MgH2). Vendar je slabost masivnega MgH2 njegova stabilnost, saj sprošča vodik samo pri zelo visokih temperaturah nad 300°C. To je nepraktično in neučinkovito za uporabo, povezano s shranjevanjem vodika.
Zhang et al. (2020) so raziskovali možnost reverzibilnega shranjevanja vodika pri temperaturi okolice z ustvarjanjem ultrafinih nanodelcev MgH₂. Sonikacijo so uporabili za sprožitev procesa metateze, ki je dejansko proces dvojne razgradnje. Sonikacijo so izvedli na suspenziji, sestavljeni iz tekočine in trdnih snovi, z namenom ustvarjanja nanodelcev. Te nanodelce so uspešno pridobili brez dodatnih nosilnih struktur, njihove velikosti pa so bile pretežno okoli 4–5 nm. Pri teh nanodelcih so izmerili reverzibilno zmogljivost shranjevanja vodika 6,7 wt% pri 30°C, kar je pomemben dosežek, ki prej še ni bil dokazan. To sta omogočili termodinamična destabilizacija in zmanjšanje kinetičnih pregrad. Goli nanodelci so izkazovali tudi stabilno in hitro cikliranje vodika v 50 ciklih pri 150°C, kar je opazno izboljšanje v primerjavi z masivnim MgH₂. Te ugotovitve predstavljajo sonikacijo kot potencialno obdelavo za večjo učinkovitost MgH₂ pri shranjevanju vodika.
(prim. Zhang et al. 2020)

Porazdelitev velikosti delcev ultrafinega MgH₂, pripravljenega po sonikaciji.
(študija in graf: ©Zhang et al., 2020)

Visokozmogljivi ultrazvočni procesorji za obdelavo magnezijevega hidrida

Sonokemija – uporaba močnostnega ultrazvoka pri kemijskih reakcijah – je zanesljiva tehnologija obdelave, ki olajšuje in pospešuje sinteze, katalitske reakcije in druge heterogene reakcije. Ponudba Hielscher Ultrasonics obsega celoten razpon od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih procesorjev do industrijskih sonokemijskih sistemov za vse vrste kemijskih aplikacij, kot so hidroliza magnezijevega hidrida ter njegovo mletje na nanometrsko velikost in nanostrukturiranje. To nam pri Hielscher omogoča, da vam ponudimo najprimernejši ultrazvočni procesor za vaš predvideni proces z MgH2. Naše osebje z dolgoletnimi izkušnjami vam bo pomagalo od preizkusov izvedljivosti in optimizacije procesa do namestitve vašega ultrazvočnega sistema na končni proizvodni ravni.
Zaradi majhne prostorske zahtevnosti naših ultrazvočnih homogenizatorjev in raznovrstnih možnosti namestitve so primerni tudi za obrate z omejenim prostorom za obdelavo. Ultrazvočni procesorji so nameščeni v obratih za fino kemijo, petrokemijo in proizvodnjo nanomaterialov po vsem svetu.

Šaržna in pretočna obdelava

Sonokemijsko opremo Hielscher je mogoče uporabljati za šaržno in neprekinjeno pretočno obdelavo. Ultrazvočna šaržna obdelava je idealna za preizkušanje in optimizacijo procesov ter za majhen do srednje velik obseg proizvodnje. Pri proizvodnji velikih količin materialov je lahko obdelava v pretočnem sistemu ugodnejša. Neprekinjen proces mešanja v pretočnem sistemu zahteva dovršeno postavitev – sestavljeno iz črpalke, gibkih ali togih cevi in rezervoarjev –, vendar je zelo učinkovit, hiter in zahteva znatno manj dela. Hielscher Ultrasonics ima najprimernejšo sonokemijsko postavitev za vašo sonosintezno reakcijo, prostornino obdelave in cilje.

Ultrazvočne sonde in reaktorji za hidrolizo MgH₂ v katerem koli obsegu

Ponudba izdelkov Hielscher Ultrasonics zajema celoten spekter ultrazvočnih procesorjev, od kompaktnih laboratorijskih ultrazvočnih procesorjev prek namiznih in pilotnih sistemov do povsem industrijskih ultrazvočnih procesorjev, ki lahko na uro obdelajo količine, enakovredne tovornim nakladam. Celotna ponudba izdelkov nam omogoča, da vam ponudimo najprimernejši ultrazvočni homogenizator za vašo procesno zmogljivost in proizvodne cilje.
Ultrazvočni namizni sistemi so idealni za preizkuse izvedljivosti in optimizacijo procesov. Linearno povečevanje obsega na podlagi uveljavljenih procesnih parametrov omogoča zelo preprosto povečanje zmogljivosti obdelave z manjših šarž na polno komercialno proizvodnjo. Obseg je mogoče povečati bodisi z namestitvijo močnejše ultrazvočne enote bodisi z vzporedno povezavo več ultrazvočnih procesorjev. Z UIP16000 Hielscher ponuja najmočnejši ultrazvočni homogenizator na svetu.

Natančno nastavljive amplitude za optimalne rezultate

Vse ultrazvočne procesorje Hielscher je mogoče natančno krmiliti, zato so zanesljive delovne naprave v proizvodnji. Amplituda je eden od ključnih procesnih parametrov, ki vplivajo na učinkovitost in uspešnost sonokemijskih reakcij. Vsi procesorji Hielscher Ultrasonics omogočajo natančno nastavitev amplitude. Sonotrode in ojačevalniki amplitude so dodatki, ki omogočajo spreminjanje amplitude v še širšem razponu. Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude in potrebno ultrazvočno intenzivnost za zahtevne aplikacije. Pri amplitudah do 200µm lahko brez težav neprekinjeno delujejo v režimu 24/7.
Natančne nastavitve amplitude in stalno spremljanje ultrazvočnih procesnih parametrov s pametno programsko opremo vam omogočajo obdelavo reagentov v najučinkovitejših ultrazvočnih pogojih. Optimalna sonikacija za izjemno stopnjo kemijske pretvorbe!
Robustnost ultrazvočne opreme Hielscher omogoča delovanje 24/7 pri velikih obremenitvah in v zahtevnih okoljih. Zato so sonikatorji Hielscher zanesljivo delovno orodje, ki izpolnjuje zahteve vašega kemijskega procesa.

Najvišja kakovost – zasnovano in izdelano v Nemčiji

Hielscher kot podjetje v družinski lasti in z družinskim vodstvom daje prednost najvišjim standardom kakovosti svojih ultrazvočnih procesorjev. Vsi ultrazvočni procesorji so zasnovani, izdelani in temeljito preizkušeni na našem sedežu v Teltowu blizu Berlina v Nemčiji. Robustnost in zanesljivost ultrazvočne opreme Hielscher zagotavljata zanesljivo delovanje v vaši proizvodnji. Delovanje 24/7 pri polni obremenitvi in v zahtevnih okoljih je samoumevna lastnost visokozmogljivih mešalnikov Hielscher.
Industrijski ultrazvočni procesorji Hielscher Ultrasonics lahko zagotavljajo zelo visoke amplitude. Pri amplitudah do 200µm lahko brez težav neprekinjeno delujejo v režimu 24/7. Za še višje amplitude so na voljo prilagojene ultrazvočne sonotrode.

Spodnja tabela prikazuje približno zmogljivost obdelave naših ultrazvočnih procesorjev: