Magnesiumhydrid i nanostorlek för effektiv vätgaslagring

Ultraljudsbehandling används på magnesiumhydrid för att påskynda hydrolysen av magnesiumhydrid och därmed öka vätgasproduktionen. Dessutom uppvisar ultraljudsbaserat nanostrukturerad magnesiumhydrid, dvs. MgH₂-nanopartiklar, förbättrad vätgaslagringskapacitet.

Magnesiumhydrid för vätgaslagring

Magnesiumhydrid, MgH₂, har väckt stor uppmärksamhet som ett alternativ för vätgaslagring. De främsta fördelarna är riklig råvarutillgång, hög prestanda, låg vikt, låg kostnad och säkerhet. Jämfört med andra hydrider som kan användas för vätgaslagring har MgH₂ de högsta vätgaslagringstätheterna med upp till 7,6 wt %. Vätgas kan lagras i Mg i form av Mg-baserade metallhydrider. Processen för syntes av MgH₂ kallas dissociativ kemisorption. En vanlig metod för att framställa Mg-baserad metallhydrid från Mg och H2 är bildning vid en temperatur på 300–400°C och ett vätgastryck på 2,4–40 MPa. Reaktionsformeln för bildningen är följande: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Värmebehandlingen vid hög temperatur medför betydande nedbrytningseffekter hos hydriderna, såsom omkristallisation, fassegregation, agglomerering av nanopartiklar osv. Dessutom gör höga temperaturer och tryck bildningen av MgH2 energikrävande, komplex och därmed dyr.

Ultraljudshydrolys av magnesiumhydrid

Hiroi et al. (2011) visade att ultraljudsbehandling av MgH₂-nanopartiklar och nanofibrer intensifierade hydrolysreaktionen MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. I denna studie uppvisade MgH₂-nanofibrerna den maximala vätgaslagringskapaciteten på 14,4 mass% vid rumstemperatur. Dessutom visade forskarna att en kombination av ultraljudsbehandling och MgH₂-hydrolys är mycket effektiv för att effektivt producera vätgas utan uppvärmning och utan tillsats av något kemiskt medel. De fann också att lågfrekvent ultraljud var den effektivaste metoden för att uppnå en hög omvandlingsgrad. Hydrolyshastigheten vid lågfrekvent ultraljudsbehandling ”nådde så högt som 76% uttryckt som reaktionsgrad vid 7,2 ks och en ultraljudsfrekvens på 28 kHz. Detta värde var mer än 15 gånger värdet som erhölls för det prov som inte ultraljudsbehandlats, vilket indikerar en ekvivalent vätgastäthet på 11,6 mass% baserat på vikten av MgH₂.”
Resultaten visade att ultraljud förbättrar hydrolysreaktionen för MgH₂ genom att öka reaktionshastighetskonstanten till följd av radikalbildning och genom att skala av det passiva skiktet av Mg(OH)₂ på oreagerad MgH₂ till följd av att stora skjuvkrafter genereras. (Hiroi et al. 2011)

Problem: Långsam hydrolys av magnesiumhydrid

Främjande av magnesiumhydridhydrolys genom kulmalning, varmvattenbehandling eller kemiska tillsatser har undersökts, men visade sig inte öka den kemiska omvandlingsgraden på något betydande sätt. När det gäller tillsats av kemikalier gav kemiska tillsatser, såsom buffertmedel, kelatbildare och jonbytare, som bidrog till att förhindra bildning av ett passiverande Mg(OH)₂-skikt, upphov till föroreningar i post-Mg-cyklingsprocessen.

Lösning: Ultraljudsdispergering av magnesiumhydrid

Ultraljudsdispergering och våtmalning är en mycket effektiv teknik för att framställa partiklar och kristaller i nanostorlek med en mycket smal fördelningskurva. Genom att dispergera magnesiumhydrid jämnt i nanostorlek förstoras den aktiva ytan avsevärt. Dessutom avlägsnar ultraljudsbehandling passiverande skikt och ökar masstransporten för att uppnå överlägsna kemiska omvandlingsgrader. Ultraljudsmalning, dispergering, deagglomerering och rengöring av partikelytor överträffar andra malningstekniker i effektivitet, tillförlitlighet och enkelhet.

Ultraljudsbaserad våtmalning och dispergering är en mycket effektiv metod för partikelstorleksreduktion, t.ex. av magnesiumhydrid

Nanostrukturerad magnesiumhydrid för förbättrad vätgaslagring

Nanostrukturering av magnesiumhydrider har vetenskapligt visats vara en effektiv strategi som gör det möjligt att samtidigt förbättra de termodynamiska och kinetiska egenskaperna för absorption och desorption hos MgH2. Magnesiumbaserade strukturer i nanostorlek / med nanostruktur, såsom MgH2-nanopartiklar och nanofibrer, kan förbättras ytterligare genom att minska partikel- och kornstorleken, vilket därmed minskar deras entalpi för hydridbildning ΔH. Beräkningar visade att reaktionsbarriären för sönderdelning av MgH2 i nanostorlek var avsevärt lägre än för MgH2 i bulkform, vilket tyder på att utformning av nanostrukturen hos MgH2 är termodynamiskt och kinetiskt gynnsam för förbättrad prestanda. (jfr Ren et al., 2023)

Jämförelse av energibarriärerna för absorption och desorption av väte hos MgH₂ i bulkform och nanostrukturerat ultrafint MgH₂.
(studie och diagram: ©Zhang et al., 2020)

Storleksreducering till nanoskala och nanostrukturering av magnesiumhydrid med ultraljud

Nanostrukturering med ultraljud är en mycket effektiv teknik som gör det möjligt att förändra magnesiumhydridens termodynamik utan att påverka vätekapaciteten. De ultrafina MgH₂-nanopartiklarna uppvisar en avsevärt förbättrad kapacitet för vätedesorption. Att reducera magnesiumhydrid till nanostorlek är ett sätt att avsevärt sänka temperaturen för absorption och desorption av väte och öka hastigheten för återhydrering och dehydrogenering av MgH₂ genom att införa defekter, förkorta diffusionsvägarna för väte, öka antalet kärnbildningsställen och destabilisera Mg–H-bindningarna.
En enkel sonokemisk behandling gör det möjligt att bilda lågenergihydrider, särskilt vid behandling av magnesiumpartiklar. Exempelvis visade Baidukova et al. (2026) att det är möjligt att bilda lågenergihydrider i en porös matris av magnesium och magnesiumhydroxid genom sonokemisk behandling av magnesiumpartiklar i vattenhaltiga suspensioner.

Sonokemiskt syntetiserad magnesiumhydrid i nanostorlek för effektiv vätelagring

Magnesiumhydridnanopartiklar framställda med ultraljud uppnår reversibilitet vid omgivningstemperatur med 6,7 wt% reversibel lagring av väte
Att använda lättmetallhydrider som bärare för vätelagring är en lovande metod för säker och effektiv lagring av väte. En särskild metallhydrid, magnesiumhydrid (MgH2), har väckt stort intresse tack vare sitt höga väteinnehåll och den rikliga förekomsten av magnesium i naturen. MgH2 i bulkform har dock nackdelen att vara stabilt och frigör endast väte vid mycket höga temperaturer på mer än 300°C. Detta är opraktiskt och ineffektivt för tillämpningar som rör vätelagring.
Zhang et al. (2020) undersökte möjligheten till reversibel vätelagring vid omgivningstemperatur genom att skapa ultrafina nanopartiklar av MgH₂. De använde ultraljudsbehandling för att initiera en metatesprocess, som i praktiken är en dubbel sönderdelningsprocess. En slurry bestående av vätska och fasta ämnen ultraljudsbehandlades i syfte att skapa nanopartiklar. Dessa nanopartiklar framställdes framgångsrikt utan några ytterligare stödstrukturer och hade storlekar huvudsakligen kring 4–5 nm. För dessa nanopartiklar uppmätte forskarna en reversibel vätelagringskapacitet på 6,7 wt% vid 30°C, ett betydande resultat som inte tidigare har demonstrerats. Detta möjliggjordes genom termodynamisk destabilisering och sänkta kinetiska barriärer. De nakna nanopartiklarna uppvisade också stabil och snabb vätecykling under 50 cykler vid 150°C, en påtaglig förbättring jämfört med MgH₂ i bulkform. Dessa resultat visar att ultraljudsbehandling är en potentiell behandling som kan leda till högre effektivitet hos MgH₂ för vätelagring.
(jfr Zhang et al. 2020)

Partikelstorleksfördelning för ultrafint MgH₂ framställt efter ultraljudsbehandling.
(studie och diagram: ©Zhang et al., 2020)

Högpresterande ultraljudsapparater för behandling av magnesiumhydrid

Sonokemi – användning av effektultraljud för kemiska reaktioner – är en tillförlitlig processteknik som underlättar och påskyndar synteser, katalytiska reaktioner och andra heterogena reaktioner. Hielscher Ultrasonics sortiment omfattar hela spannet från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier till industriella sonokemiska system för alla slags kemiska tillämpningar, såsom hydrolys av magnesiumhydrid och dess nanomalning / nanostrukturering. Detta gör att vi på Hielscher kan erbjuda dig den lämpligaste ultraljudsapparaten för din planerade MgH2-process. Vår personal med mångårig erfarenhet hjälper dig från genomförbarhetstester och processoptimering till installation av ditt ultraljudssystem i den slutliga produktionsskalan.
Våra ultraljudshomogenisatorers små yttermått och mångsidiga installationsmöjligheter gör att de passar även i processanläggningar med begränsat utrymme. Ultraljudsprocessorer är installerade världen över i anläggningar för finkemisk och petrokemisk produktion samt produktion av nanomaterial.

Satsvis och inline

Hielschers sonokemiska utrustning kan användas för satsvis bearbetning och kontinuerlig genomflödesbearbetning. Satsvis ultraljudsbearbetning är idealisk för processtester, optimering och produktion i liten till medelstor skala. Vid produktion av stora materialvolymer kan inlinebearbetning vara mer fördelaktig. En kontinuerlig blandningsprocess inline kräver en avancerad uppställning – bestående av en pump, slangar eller rör och tankar – men den är mycket effektiv, snabb och kräver betydligt mindre arbetsinsats. Hielscher Ultrasonics har den lämpligaste sonokemiska uppställningen för din sonosyntesreaktion, bearbetningsvolym och dina mål.

Ultraljudssonder och reaktorer för hydrolys av MgH₂ i alla skalor

Hielscher Ultrasonics produktsortiment täcker hela spektrumet av ultraljudsprocessorer, från kompakta ultraljudsapparater för laboratorier via bänk- och pilotsystem till helt industriella ultraljudsprocessorer med kapacitet att bearbeta lastbilslaster per timme. Det kompletta produktsortimentet gör att vi kan erbjuda dig den lämpligaste ultraljudshomogenisatorn för din processkapacitet och dina produktionsmål.
Ultraljudssystem för bänkplacering är idealiska för genomförbarhetstester och processoptimering. Linjär uppskalning baserad på fastställda processparametrar gör det mycket enkelt att öka bearbetningskapaciteten från mindre satser till full kommersiell produktion. Uppskalning kan göras antingen genom att installera en kraftfullare ultraljudsenhet eller genom att koppla samman flera ultraljudsapparater parallellt. Med UIP16000 erbjuder Hielscher världens kraftfullaste ultraljudshomogenisator.

Exakt reglerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielschers ultraljudsapparater kan regleras exakt och är därmed tillförlitliga arbetshästar i produktionen. Amplituden är en av de avgörande processparametrar som påverkar sonokemiska reaktioners effektivitet och verkan Alla processorer från Hielscher Ultrasonics möjliggör exakt inställning av amplituden. Sonotroder och amplitudförstärkarhorn är tillbehör som gör det möjligt att ändra amplituden inom ett ännu större intervall. Hielschers industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och ge den ultraljudsintensitet som krävs för krävande tillämpningar. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, alla dagar i veckan.
Exakta amplitudinställningar och ständig övervakning av ultraljudsprocessens parametrar via intelligent programvara ger dig möjlighet att behandla dina reagenser under de effektivaste ultraljudsbetingelserna. Optimal ultraljudsbehandling för en enastående kemisk omvandlingsgrad!
Hielschers ultraljudsutrustning är robust och möjliggör drift dygnet runt, alla dagar i veckan, vid hög belastning och i krävande miljöer. Detta gör Hielschers ultraljudsapparater till ett tillförlitligt arbetsredskap som uppfyller kraven för din kemiska process.

Högsta kvalitet – konstruerade och tillverkade i Tyskland

Som familjeägt och familjedrivet företag prioriterar Hielscher de högsta kvalitetsstandarderna för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater konstrueras, tillverkas och testas grundligt vid vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin i Tyskland. Hielscher ultraljudsutrustnings robusthet och tillförlitlighet gör den till en arbetshäst i din produktion. Drift dygnet runt, sju dagar i veckan, under full belastning och i krävande miljöer är en naturlig egenskap hos Hielschers högpresterande blandare.
Hielscher Ultrasonics industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder. Amplituder på upp till 200µm kan enkelt upprätthållas kontinuerligt vid drift dygnet runt, sju dagar i veckan. För ännu högre amplituder finns kundanpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.

Tabellen nedan ger en indikation på våra ultraljudsapparaters ungefärliga bearbetningskapacitet: