Магнезијум-хидрид нанометарских димензија за ефикасно складиштење водоника

Соникација се примењује на магнезијум-хидрид ради убрзавања његове хидролизе како би се повећала производња водоника. Поред тога, ултразвучно наноструктурирани магнезијум-хидрид, тј. наночестице MgH₂, показује побољшан капацитет складиштења водоника.

Магнезијум-хидрид за складиштење водоника

Магнезијум-хидрид, MgH₂, привукао је велику пажњу као могућност за складиштење водоника. Главне предности су обилна доступност сировине, високе перформансе, мала маса, ниска цена и безбедност. У поређењу са другим хидридима који се могу користити за складиштење водоника, MgH₂ има највеће густине складиштења водоника, до 7,6 wt %. Водоник се може складиштити у Mg у облику металних хидрида на бази Mg. Процес синтезе MgH₂ познат је као дисоцијативна хемисорпција. Уобичајена метода добијања металног хидрида на бази Mg из Mg и H2 јесте његово формирање на температури од 300–400°C и при притиску водоника од 2,4–40 MPa. Једначина формирања гласи: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Термичка обрада на високој температури доводи до значајне деградације хидрида, као што су рекристализација, сегрегација фаза, агломерација наночестица итд. Осим тога, високе температуре и притисци чине формирање MgH2 енергетски захтевним, сложеним и самим тим скупим.

Ултразвучна хидролиза магнезијум-хидрида

Hiroi и сар. (2011) показали су да соникација наночестица и нановлакана MgH₂ интензивира реакцију хидролизе MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. У овој студији нановлакна MgH₂ показала су максимални капацитет складиштења водоника од 14,4 mass% на собној температури. Поред тога, истраживачи су показали да је комбинација соникације и хидролизе MgH₂ у знатној мери делотворна за ефикасну производњу водоника без загревања и додавања било каквог хемијског средства. Такође су утврдили да је ултразвук ниске фреквенције најефикаснија метода за постизање високог степена конверзије. Брзина хидролизе при соникацији ниске фреквенције „достигла је чак 76% у погледу степена реакције при 7,2 ks и ултразвучној фреквенцији од 28 kHz. Ова вредност била је више од 15 пута већа од вредности добијене за узорак који није подвргнут соникацији, што указује на еквивалентну густину водоника од 11,6 mass% у односу на масу MgH₂.“
Резултати су показали да ће ултразвук побољшати реакцију хидролизе MgH₂ повећањем константе брзине реакције услед стварања радикала и љуштењем пасивног слоја Mg(OH)₂ преко неизреагованог MgH₂ услед стварања великих сила смицања. (Hiroi и сар. 2011)

Проблем: спора хидролиза магнезијум-хидрида

Истраживано је поспешивање хидролизе магнезијум-хидрида млевењем у кугличном млину, обрадом врелом водом или хемијским адитивима, али није утврђено да се тиме значајно повећава брзина хемијске конверзије. Када је реч о додавању хемикалија, хемијски адитиви, као што су пуферска средства, хелатори и јонски измењивачи, који су помагали у спречавању формирања пасивирајућег слоја Mg(OH)₂, стварали су нечистоће у процесу циклирања после Mg.

Решење: ултразвучно дисперговање магнезијум-хидрида

Ултразвучно дисперговање и мокро млевење представљају високоефикасну технику за добијање честица и кристала нанометарских димензија са веома уском кривом расподеле величина. Равномерним дисперговањем магнезијум-хидрида до нанометарских димензија значајно се повећава активна површина. Осим тога, соникација уклања пасивирајуће слојеве и повећава пренос масе ради постизања већих брзина хемијске конверзије. Ултразвучно млевење, дисперговање, деагломерација и чишћење површине честица надмашују друге технике млевења по ефикасности, поузданости и једноставности.

Ултразвучно мокро млевење и дисперговање представљају високоефикасну методу за смањење величине честица, нпр. магнезијум-хидрида

Наноструктурирани магнезијум-хидрид за побољшано складиштење водоника

Научно је доказано да је наноструктурирање магнезијум-хидрида ефикасна стратегија која омогућава истовремено побољшање термодинамичких и кинетичких својстава апсорпције/десорпције MgH2. Структуре на бази магнезијума нанометарских димензија / наноструктуриране структуре, као што су наночестице и нановлакна MgH2, могу се додатно унапредити смањењем величине честица и зрна, чиме се смањује њихова енталпија формирања хидрида ΔH. Прорачуни су показали да је реакциона баријера за разлагање MgH2 нанометарских димензија знатно нижа него код масивног MgH2, што указује на то да је пројектовање наноструктуре MgH2 термодинамички и кинетички повољно за побољшање перформанси. (уп. Ren et al., 2023)

Поређење енергетских баријера за апсорпцију и десорпцију водоника код масивног MgH₂ и наноструктурираног ултрафиног MgH₂.
(студија и графикон: ©Zhang et al., 2020)

Ултразвучно уситњавање магнезијум-хидрида до нанометарских димензија и његово наноструктурирање

Ултразвучно наноструктурирање је веома ефикасна техника која омогућава промену термодинамичких својстава магнезијум-хидрида без утицаја на капацитет складиштења водоника. Ултрафине наночестице MgH₂ показују знатно побољшан капацитет десорпције водоника. Уситњавање магнезијум-хидрида до нанометарских димензија представља начин да се знатно снизи температура апсорпције/десорпције водоника и повећа брзина рехидрогенације/дехидрогенације MgH₂, захваљујући увођењу дефеката, скраћивању дифузионих путева водоника, повећању броја места нуклеације и дестабилизацији веза Mg–H.
Једноставна сонохемијска обрада омогућава формирање нискоенергетских хидрида, нарочито при обради честица магнезијума. На пример, Baidukova et al. (2026) показали су могућност формирања нискоенергетских хидрида у порозној матрици магнезијума и магнезијум-хидроксида сонохемијском обрадом честица магнезијума у воденим суспензијама.

Сонохемијски синтетисан наномагнезијум-хидрид за ефикасно складиштење водоника

Ултразвучно припремљене наночестице магнезијум-хидрида омогућавају реверзибилно складиштење 6,7 wt% водоника при температури околине
Употреба хидрида лаких метала као носилаца за складиштење водоника представља обећавајући приступ безбедном и ефикасном складиштењу водоника. Један од тих металних хидрида, магнезијум-хидрид (MgH2), привукао је велико интересовање због високог садржаја водоника и обиља магнезијума у природи. Међутим, недостатак масивног MgH2 јесте његова стабилност, због које ослобађа водоник само на веома високим температурама, изнад 300°C. То је непрактично и неефикасно за примене повезане са складиштењем водоника.
Zhang et al. (2020) истраживали су могућност реверзибилног складиштења водоника при температури околине стварањем ултрафиних наночестица MgH₂. Користили су соникацију за покретање процеса метатезе, који је у суштини процес двоструког разлагања. Соникација је примењена на суспензију која се састоји од течности и чврстих материја ради стварања наночестица. Ове наночестице, без икаквих додатних потпорних структура, успешно су произведене са величинама претежно око 4–5 nm. Код ових наночестица измерили су реверзибилни капацитет складиштења водоника од 6,7 wt% при 30°C, што је значајно достигнуће које раније није било показано. То је омогућено термодинамичком дестабилизацијом и снижавањем кинетичких баријера. Наночестице без потпорних структура такође су показале стабилно и брзо циклично везивање и ослобађање водоника током 50 циклуса при 150°C, што представља значајно побољшање у поређењу са масивним MgH₂. Ови налази указују на соникацију као потенцијалну обраду која доводи до веће ефикасности MgH₂ у складиштењу водоника.
(уп. Zhang et al. 2020)

Расподела величине честица ултрафиног MgH₂ припремљеног након соникације.
(студија и графикон: ©Zhang et al., 2020)

Ултразвучни уређаји високих перформанси за обраду магнезијум-хидрида

Сонохемија – примена ултразвука велике снаге на хемијске реакције – поуздана је технологија обраде која олакшава и убрзава синтезе, каталитичке реакције и друге хетерогене реакције. Понуда компаније Hielscher Ultrasonics обухвата цео распон, од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја до индустријских сонохемијских система за све врсте хемијских примена, као што су хидролиза магнезијум-хидрида и његово млевење до наноразмера / наноструктурирање. То нам у компанији Hielscher омогућава да вам понудимо најприкладнији ултразвучни уређај за ваш планирани процес са MgH2. Наше особље са дугогодишњим искуством пружиће вам подршку од испитивања изводљивости и оптимизације процеса до уградње вашег ултразвучног система у коначном производном обиму.
Мала површина коју заузимају наши ултразвучни хомогенизатори, као и разноврсне могућности њихове уградње, омогућавају да се сместе чак и у погоне са ограниченим простором за обраду. Ултразвучни процесори уграђени су широм света у погонима фине хемије, петрохемије и производње наноматеријала.

Шаржна обрада и обрада у проточној линији

Сонохемијска опрема компаније Hielscher може се користити за шаржну и континуалну проточну обраду. Ултразвучна шаржна обрада идеална је за испитивање и оптимизацију процеса, као и за производњу у малом до средњем обиму. За производњу великих количина материјала обрада у проточној линији могла би бити повољнија. Континуални процес мешања у проточној линији захтева сложен систем – који се састоји од пумпе, црева или цеви и резервоара – али је веома ефикасан, брз и захтева знатно мање рада. Hielscher Ultrasonics има најприкладнији сонохемијски систем за вашу реакцију соносинтезе, запремину обраде и циљеве.

Ултразвучне сонде и реактори за хидролизу MgH₂ у било ком обиму

Асортиман производа компаније Hielscher Ultrasonics обухвата цео спектар ултразвучних процесора, од компактних лабораторијских ултразвучних уређаја, преко стоних и пилот-система, до потпуно индустријских ултразвучних процесора са капацитетом обраде камионских товара на сат. Комплетан асортиман производа омогућава нам да вам понудимо најприкладнији ултразвучни хомогенизатор за капацитет вашег процеса и производне циљеве.
Стони ултразвучни системи идеални су за испитивање изводљивости и оптимизацију процеса. Линеарно повећање обима на основу утврђених процесних параметара омогућава веома лако повећање капацитета обраде од мањих шаржи до пуне комерцијалне производње. Повећање обима може се постићи уградњом снажније ултразвучне јединице или паралелним повезивањем више ултразвучних уређаја у групу. Моделом UIP16000, Hielscher нуди најснажнији ултразвучни хомогенизатор на свету.

Прецизно подесиве амплитуде за оптималне резултате

Сви ултразвучни уређаји компаније Hielscher омогућавају прецизно управљање и стога су поуздани ослонци у производњи. Амплитуда је један од кључних процесних параметара који утичу на ефикасност и делотворност сонохемијских реакција Сви процесори компаније Hielscher Ultrasonics омогућавају прецизно подешавање амплитуде. Сонотроде и појачивачи амплитуде представљају додатну опрему која омогућава промену амплитуде у још ширем опсегу. Индустријски ултразвучни процесори компаније Hielscher могу да остваре веома високе амплитуде и обезбеде потребан интензитет ултразвука за захтевне примене. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно у режиму рада 24/7.
Прецизно подешавање амплитуде и стално праћење параметара ултразвучног процеса помоћу паметног софтвера омогућавају вам да своје реагенсе обрађујете у најделотворнијим ултразвучним условима. Оптимална соникација за изузетну стопу хемијске конверзије!
Робусност ултразвучне опреме компаније Hielscher омогућава рад 24/7 под великим оптерећењем и у захтевним окружењима. Зато су соникатори компаније Hielscher поуздан радни алат који испуњава захтеве вашег хемијског процеса.

Највиши квалитет – пројектовано и произведено у Немачкој

Као предузеће у породичном власништву којим управља породица, Hielscher даје приоритет највишим стандардима квалитета за своје ултразвучне процесоре. Сви ултразвучни уређаји се пројектују, производе и темељно испитују у нашем седишту у Телтову близу Берлина, у Немачкој. Робусност и поузданост ултразвучне опреме Hielscher чине је поузданим ослонцем у вашој производњи. Рад 24/7 под пуним оптерећењем и у захтевним окружењима природна је карактеристика мешалица Hielscher високих перформанси.
Индустријски ултразвучни процесори Hielscher Ultrasonics могу да остваре веома високе амплитуде. Амплитуде до 200µm могу се лако одржавати непрекидно током рада 24/7. За још веће амплитуде доступне су прилагођене ултразвучне сонотроде.

Табела у наставку пружа преглед приближног капацитета обраде наших ултразвучних уређаја: