Magnesiumhydrid i nanostorlek som effektiv vätgaslagring

Ultraljudsbehandling tillämpas på magnesiumhydrid för att påskynda hydrolysen av magnesiumhydrid för att förbättra vätegenereringen. Dessutom visar ultraljudsnanostrukturerad magnesiumhydrid, dvs. MgH2-nanopartiklar, förbättrad vätelagringskapacitet.

Magnesiumhydrid för vätgaslagring

Magnesiumhydrid, MgH₂, har väckt stor uppmärksamhet som ett alternativ för lagring av vätgas. De främsta fördelarna är dess rikliga resurs, höga prestanda, låga vikt, låga kostnader och säkerhet. I jämförelse med andra hydrider som kan användas för vätgaslagring, MgH₂ har den högsta lagringsdensiteten för vätgas med upp till 7,6 viktprocent. Vätgas kan lagras i Mg i form av Mg-baserade metallhydrider. Processen för MgH2-syntes är känd som 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 vätetryck på 2,4–40 MPa. Formationsekvationen ser ut så här: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Den höga värmebehandlingen kommer med betydande nedbrytningseffekter av hydriderna, såsom omkristallisation, fasseparation, agglomerering av nanopartiklar etc. Dessutom gör höga temperaturer och tryck bildandet av MgH2 energikrävande, komplext och därmed dyrt.

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 vätelagringskapaciteten på 14,4 mass% vid rumstemperatur. Dessutom visade forskarna att en kombination av ultraljudsbehandling och MgH2 hydrolys är betydligt effektivare för att effektivt generera väte utan uppvärmning och tillsats av något kemiskt medel. De fann också att lågfrekvent ultraljud var den mest effektiva metoden för att få en hög konverteringsfrekvens. Hydrolyshastigheten vid lågfrekvent ultraljudsbehandling "nådde så högt som 76% när det gäller reaktionsgraden vid 7,2 ks vid en ultraljudsfrekvens på 28 kHz. Detta värde var mer än 15 gånger det värde som erhölls i fallet med det icke-ultraljudsbehandlade provet, vilket indikerar en ekvivalent vätedensitet på 11,6 mass% på grundval av vikten av MgH2."
Resultaten avslöjade att ultraljud kommer att förbättra hydrolysreaktionen av MgH2 genom att öka reaktionshastigheten konstant på grund av genereringen av radikal och exfoliera det passiva lagret av Mg(OH)2 över det oreagerade MgH2 på grund av genereringen av stora skjuvkrafter. (Hiroi et al. 2011)

Problem: Långsam hydrolys av magnesiumhydrid

Främjande av magnesiumhydridhydrolys via kulmalning, varmvattenbehandling eller kemiska tillsatser har undersökts, men visade sig inte förbättra den kemiska omvandlingshastigheten på ett signifikant sätt. När det gäller tillsats av kemikalier producerade kemiska tillsatser, såsom buffertmedel, kelatorer och jonbytare, som hjälpte till att förhindra bildandet av ett passiverande Mg(OH)2-skikt, föroreningar i post-Mg-cykelprocessen.

Lösning: Ultraljudsdispergering av magnesiumhydrid

Ultraljudsdispergering och våtmalning är en mycket effektiv teknik för att producera partiklar och kristaller i nanostorlek med en mycket smal fördelningskurva. Genom att fördela magnesiumhydrid jämnt i nanostorlek blir den aktiva ytan betydligt större. Dessutom tar ultraljudsbehandling bort passiverande lager och ökar massöverföringen för överlägsna kemiska omvandlingshastigheter. Ultraljudsfräsning, dispergering, deagglomerering och rengöring av partikelytor överträffar andra malningstekniker i effektivitet, tillförlitlighet och enkelhet.

Ultraljudsvåtmalning och dispergering är en mycket effektiv metod för att minska partikelstorleken, t.ex. av magnesiumhydrid

Nanostrukturerad magnesiumhydrid som förbättrad vätelagring

Nanostrukturerande magnesiumhydrider har vetenskapligt bevisats vara en effektiv strategi som gör det möjligt att samtidigt förbättra de termodynamiska och kinetiska egenskaperna hos MgH2. Magnesiumbaserade strukturer i nanostorlek/nanostrukturer, såsom MgH2-nanopartiklar och nanofibrer, kan förbättras ytterligare genom att minska partikel- och kornstorleken och därigenom minska deras hydridbildningsentalpi ΔH. Beräkningar visade att reaktionsbarriären för nedbrytningen av MgH2 i nanostorlek var anmärkningsvärt lägre än för MgH2 i bulk, vilket indikerar att nanostrukturtekniken hos MgH2 är termodynamiskt och kinetiskt gynnsam för den förbättrade prestandan. (jfr Ren et al., 2023)

Jämförelse av energibarriärerna för väteabsorption och desorption av bulk MgH2 och nanostrukturerad ultrafin MgH2.
(studie och diagram: ©Zhang et al., 2020)

Ultraljud nanosizing och nanostrukturering av magnesiumhydrid

Ultraljud nanostrukturering är en mycket effektiv teknik som gör det möjligt att ändra termodynamiken hos magnesiumhydrid utan att påverka vätekapaciteten. De ultrafina MgH2-nanopartiklarna uppvisar en avsevärt förbättrad vätedesorptionskapacitet. Nano-sizing magnesiumhydrid är ett sätt att avsevärt minska väte ab-/desorptionstemperaturen och öka hastigheten för re/de-hydrogenering av MgH2, på grund av införandet av defekter, förkortning av vätediffusionsvägar, ökning av kärnbildningsställen och destabilisering av Mg-H-bindning.
En enkel sonokemisk behandling ger möjlighet att bilda lågenergihydrider, särskilt vid behandling med magnesiumpartiklar. Till exempel visade Baidukova et al. (2026) möjligheten att bilda lågenergihydrider i en porös magnesium-magnesiumhydroxidmatris med hjälp av sonokemisk behandling av magnesiumpartiklar i vattenhaltiga suspensioner.

Sonokemiskt syntetiserad nano-magnesiumhydrid för effektiv vätelagring

Ultraljudspreparerade nanopartiklar av magnesiumhydrid uppnår reversibilitet vid omgivningstemperatur på 6,7 viktprocent reversibel lagring av väte
Att använda lättmetallhydrider som bärare för vätgaslagring är ett lovande tillvägagångssätt för säker och effektiv lagring av vätgas. En speciell metallhydrid, magnesiumhydrid (MgH2), har väckt stort intresse på grund av dess höga vätehalt och överflödet av magnesium i naturen. Bulk MgH2 har dock nackdelen att det är stabilt och endast släpper ut väte vid mycket höga temperaturer på mer än 300 °C. Detta är opraktiskt och ineffektivt för vätgaslagringsrelaterade tillämpningar.
Zhang et al. (2020) undersökte möjligheten till reversibel vätgaslagring vid omgivningstemperatur genom att skapa ultrafina nanopartiklar av MgH2. De använde ultraljudsbehandling för att initiera en metatesprocess, vilket i praktiken är en dubbel nedbrytningsprocess. Ultraljudsbehandling applicerades på en slurry bestående av vätska och fasta ämnen i syfte att skapa nanopartiklar. Dessa nanopartiklar, utan några ytterligare ställningsstrukturer, producerades framgångsrikt med storlekar främst runt 4-5 nm. För dessa nanopartiklar uppmätte y en reversibel vätelagringskapacitet på 6,7 viktprocent vid 30 °C, en betydande prestation som inte har visats tidigare. Detta möjliggjordes av termodynamisk destabilisering och minskade kinetiska barriärer. De nakna nanopartiklarna uppvisade också ett stabilt och snabbt vätecykelbeteende under 50 cykler vid 150 °C, en anmärkningsvärd förbättring jämfört med bulk-MgH2. Dessa fynd presenterar ultraljudsbehandling som potentiell behandling som leder till högre effektivitet av MgH2 för vätelagring.
(jfr Zhang et al. 2020)

Partikelstorleksfördelning ultrafin MgH2 beredd efter ultraljudsbehandling.
(studie och diagram: ©Zhang et al., 2020)

Högpresterande ultraljudsapparater för behandling av magnesiumhydrid

Sonokemi – Tillämpningen av kraftultraljud för kemiska reaktioner – är en tillförlitlig bearbetningsteknik som underlättar och påskyndar synteser, katalytiska reaktioner och andra heterogena reaktioner. Hielscher Ultrasonics portfölj täcker hela sortimentet från kompakta labb ultraljudsapparater till industriella sonokemiska system för alla typer av kemiska tillämpningar såsom hydrolys av magnesiumhydrid och dess nano-fräsning / nano-strukturering. Detta gör det möjligt för oss på Hielscher att erbjuda dig den mest lämpliga ultraljudsapparaten för din tänkta MgH2-process. Vår erfarna personal hjälper dig från genomförbarhetstester och processoptimering till installation av ditt ultraljudssystem på slutproduktionsnivå.
Det lilla fotavtrycket hos våra ultraljudshomogenisatorer samt deras mångsidighet i installationsalternativ gör att de passar även in i bearbetningsanläggningar för små utrymmen. Ultraljudsprocessorer installeras över hela världen i anläggningar för finkemi, petrokemi och nanomaterial.

batch och infogade

Hielscher sonokemisk utrustning kan användas för batchvis och kontinuerlig genomströmningsbearbetning. Ultraljudsbatchbearbetning är idealisk för processtestning, optimering och liten till medelstor produktionsnivå. För en produktion av stora volymer material kan inline-bearbetning vara mer fördelaktigt. En kontinuerlig inline-blandningsprocess kräver en sofistikerad installation – bestående av en pump, slangar eller rör och tankar -, men det är mycket effektivt, snabbt och kräver betydligt mindre arbete. Hielscher Ultrasonics har den mest lämpliga sonokemiska inställningen för din sono-syntes reaktion, bearbetningsvolym och mål.

Ultraljudssonder och reaktorer för MgH2-hydrolys i alla skalor

Hielscher Ultrasonics produktsortiment täcker hela spektrumet av ultraljudsprocessorer från kompakta labb ultraljudsapparater över bänk-top och pilotsystem till fullt industriella ultraljudsprocessorer med kapacitet att bearbeta lastbilslaster per timme. Det kompletta produktsortimentet gör att vi kan erbjuda dig den mest lämpliga ultraljudshomogenisatorn för din processkapacitet och dina produktionsmål.
Bänksystem med ultraljud är idealiska för genomförbarhetstestning och processoptimering. Linjär uppskalning baserat på etablerade processparametrar gör det mycket enkelt att öka processkapaciteten från mindre partier till fullt kommersiell produktion. Uppskalning kan göras genom att antingen installera en kraftfullare ultraljudsenhet eller klustra flera ultraljudsapparater parallellt. Med UIP16000 erbjuder Hielscher den mest kraftfulla ultraljudshomogenisatorn i världen.

Exakt kontrollerbara amplituder för optimala resultat

Alla Hielscher ultraljudsapparater är exakt kontrollerbara och därmed pålitliga arbetshästar i produktionen. Amplituden är en av de avgörande processparametrarna som påverkar effektiviteten och effektiviteten av sonokemiska reaktioner Alla Hielscher Ultrasonics-processorer möjliggör exakt inställning av amplituden. Sonotrodes och boosterhorn är tillbehör som gör det möjligt att modifiera amplituden i ett ännu bredare intervall. Hielscher industriella ultraljudsprocessorer kan leverera mycket höga amplituder och leverera den ultraljudsintensitet som krävs för krävande applikationer. Amplituder på upp till 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift.
Exakta amplitudinställningar och permanent övervakning av ultraljudsprocessparametrarna via smart programvara ger dig möjlighet att behandla dina reaganser med de mest effektiva ultraljudsförhållandena. Optimal ultraljudsbehandling för en enastående kemisk omvandlingshastighet!
Robustheten hos Hielschers ultraljudsutrustning möjliggör 24/7 drift vid tung belastning och i krävande miljöer. Detta gör Hielschers ultraljudsutrustning till ett pålitligt arbetsredskap som uppfyller dina kemiska processkrav.

Högsta kvalitet – Designad och tillverkad i Tyskland

Som ett familjeägt och familjeägt företag prioriterar Hielscher högsta kvalitetsstandarder för sina ultraljudsprocessorer. Alla ultraljudsapparater är utformade, tillverkade och grundligt testade i vårt huvudkontor i Teltow nära Berlin, Tyskland. Robustheten och tillförlitligheten hos Hielscher ultraljudsutrustning gör den till en arbetshäst i din produktion. 24/7 drift 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 200 μm kan enkelt köras kontinuerligt i 24/7 drift. För ännu högre amplituder finns anpassade ultraljudssonotroder tillgängliga.

Tabellen nedan ger dig en indikation på den ungefärliga bearbetningskapaciteten hos våra ultraljudsapparater: