Нанорозмірний гідрид магнію як ефективне сховище водню

Ультразвук застосовується до гідриду магнію з метою прискорення гідролізу гідриду магнію для посилення утворення водню. Крім того, ультразвуково наноструктурований гідрид магнію, тобто наночастинки MgH2, демонструють покращену здатність накопичувати водень.

Гідрид магнію для зберігання водню

Гідрид магнію, MgH₂, привернув широку увагу як варіант зберігання водню. Основними перевагами є його багатий ресурс, висока продуктивність, невелика вага, низька вартість і безпека. У порівнянні з іншими гідридами, що використовуються для зберігання водню, MgH₂ має найвищу щільність зберігання водню – до 7,6 мас. Водень може зберігатися в Mg у вигляді гідридів металів на основі Mg. Процес синтезу MgH2 відомий як дисоціативна хемосорбція. Поширеним методом отримання металогідриду на основі Mg і H2 є утворення при температурі 300-400 ° C і тиску водню 2,4-40 МПа. Рівняння освіти виглядає наступним чином: Mg + H₂ ⇌ МгГод₂
Висока термічна обробка супроводжується значними ефектами деградації гідридів, такими як рекристалізація, фазова сегрегація, агломерація наночастинок тощо. Крім того, високі температури і тиск роблять утворення MgH2 енергоємним, складним і тим самим дорогим.

Ультразвуковий гідроліз гідриду магнію

Hiroi et al. (2011) продемонстрували, що ультразвукове дослідження наночастинок і нановолокон MgH2 інтенсифікує реакцію гідролізу MgH2 + 2H2O = Mg(OH)2 + 2H2 + 277 кДж. У цьому дослідженні нановолокна MgH2 продемонстрували максимальну ємність зберігання водню 14,4 мас-% при кімнатній температурі. Крім того, дослідники продемонстрували, що комбінація ультразвуку та гідролізу MgH2 є значно ефективною для ефективного отримання водню без нагрівання та додавання будь-якого хімічного агента. Вони також виявили, що низькочастотний ультразвук був найефективнішим методом для отримання високого коефіцієнта перетворення. Швидкість гідролізу при низькочастотному ультразвуковому дослідженні »досягала 76% за ступенем реакції при 7,2 кс на ультразвуковій частоті 28 кГц. Це значення більш ніж у 15 разів перевищувало значення, отримане у випадку неультразвукового зразка, що вказує на еквівалентну щільність водню 11,6 мас-% на основі ваги MgH2.
Результати показали, що ультразвук посилить реакцію гідролізу MgH2 за рахунок постійного збільшення швидкості реакції за рахунок генерації радикалів і відлущування пасивного шару Mg(OH)2 над непрореагированимся MgH2 за рахунок генерації великих сил зсуву. (Hiroi та ін., 2011)

Проблема: повільний гідроліз гідриду магнію

Було досліджено сприяння гідролізу гідриду магнію за допомогою кульового подрібнення, обробки гарячою водою або хімічних добавок, але не було виявлено, що воно значно підвищує швидкість хімічного перетворення. Що стосується додавання хімічних речовин, то хімічні добавки, такі як буфери, хелатори та іонообмінники, які допомагали запобігти утворенню пасивуючого шару Mg(OH)2, виробляли домішки в процесі циклування після Mg.

Рішення: ультразвукове диспергування гідриду магнію

Ультразвукове диспергування та мокре подрібнення є високоефективною технікою для отримання нанорозмірних частинок і кристалів з дуже вузькою кривою розподілу. Завдяки рівномірному розподілу гідриду магнію в нанорозмірі площа активної поверхні значно збільшується. Крім того, ультразвук видаляє пасивуючі шари та збільшує масообмін для досягнення чудових показників хімічного перетворення. Ультразвукове фрезерування, диспергування, деагломерація та очищення поверхні частинок перевершують інші методи фрезерування за ефективністю, надійністю та простотою.

Ультразвукове мокре подрібнення та диспергування є високоефективним методом зменшення розміру частинок, наприклад, гідриду магнію

Наноструктурований гідрид магнію як покращене зберігання водню

Науково доведено, що наноструктурування гідридів магнію є ефективною стратегією, яка дозволяє одночасно посилювати аб/десорбційні, термодинамічні та кінетичні властивості MgH2. Нанорозмірні / наноструктуровані структури на основі магнію, такі як наночастинки MgH2 і нановолокна, можуть бути додатково вдосконалені за рахунок зменшення розміру частинок і зерен, тим самим зменшуючи ентальпію їх гідридоутворення ΔH. Розрахунки показали, що реакційний бар'єр для розкладання нанорозмірного MgH2 був значно нижчим, ніж у об'ємного MgH2, що вказує на те, що інженерія наноструктур MgH2 термодинамічно та кінетично сприятлива для підвищення продуктивності. (пор. Рен та ін., 2023)

Порівняння енергетичних бар'єрів для поглинання та десорбції водню об'ємного MgH2 та наноструктурованого ультрадисперсного MgH2.
(дослідження та графік: ©Zhang et al., 2020)

Ультразвукове нанорозмірування та наноструктурування гідриду магнію

Ультразвукове наноструктурування є високоефективною методикою, яка дозволяє змінювати термодинаміку гідриду магнію без впливу на ємність водню. Наддрібні наночастинки MgH2 демонструють значно покращену здатність до десорбції водню. Нанорозмірний гідрид магнію – це спосіб значно знизити температуру аб-/десорбції водню та збільшити швидкість повторного/дегідрбційного перетворення MgH2, за рахунок введення дефектів, скорочення шляхів дифузії водню, збільшення ділянок зародження та дестабілізації зв'язку Mg–H.
Проста сонохімічна обробка забезпечує можливість утворення низькоенергетичних гідридів, особливо в разі обробки частинками магнію. Наприклад, Baidukova et al. (2026) продемонстрували можливість утворення низькоенергетичних гідридів у пористій матриці гідроксиду магнію за допомогою сонохімічної обробки частинок магнію у водних суспензіях.

Сонохімічно синтезований наномагнієвий гідрид для ефективного зберігання водню

Ультразвуково приготовані наночастинки гідриду магнію досягають оборотності при температурі навколишнього середовища при оборотному зберіганні водню 6,7 мас.%
Використання гідридів легких металів як носіїв для зберігання водню є перспективним підходом для безпечного та ефективного зберігання водню. Один конкретний металогідрид, гідрид магнію (MgH2), привернув значний інтерес завдяки високому вмісту водню та великій кількості магнію в природі. Однак об'ємний MgH2 має недолік у тому, що він стабільний, виділяючи водень лише при дуже високих температурах понад 300°C. Це непрактично і неефективно для застосувань, пов'язаних зі зберіганням водню.
Zhang et al. (2020) досліджували можливість оборотного зберігання водню при температурі навколишнього середовища шляхом створення наддисперсних наночастинок MgH2. Вони використовували ультразвук для того, щоб ініціювати процес метатези, який фактично є процесом подвійного розкладання. Ультразвук застосовувався до суспензії, що складається з рідини та твердих речовин, з метою створення наночастинок. Ці наночастинки, без будь-яких додаткових структур каркаса, були успішно виготовлені з розмірами переважно близько 4-5 нм. Для цих наночастинок y виміряв оборотну ємність зберігання водню 6,7 мас.% при 30°C, що є значним досягненням, яке раніше не було продемонстровано. Це стало можливим завдяки термодинамічній дестабілізації та зменшенню кінетичних бар'єрів. Голі наночастинки також продемонстрували стабільну та швидку поведінку кругообігу водню протягом 50 циклів при 150°C, що є помітним покращенням порівняно з об'ємним MgH2. Ці результати представляють ультразвук як потенційне лікування, що веде до підвищення ефективності MgH2 для зберігання водню.
(пор. Zhang et al. 2020)

Гранулометричний склад гранулометричного складу MgH2 готується після ультразвукового дослідження.
(дослідження та графік: ©Zhang et al., 2020)

Високоефективні ультразвукові апарати для обробки гідридами магнію

Сонохімія – Застосування силового ультразвуку до хімічних реакцій – Це надійна технологія обробки, яка полегшує і прискорює синтези, каталітичні реакції та інші різнорідні реакції. Портфоліо Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр від компактних лабораторних ультразвукових апаратів до промислових сонохімічних систем для всіх видів хімічних застосувань, таких як гідроліз гідриду магнію та його нано-подрібнення/наноструктурування. Це дозволяє нам у компанії Hielscher запропонувати вам найбільш підходящий ультразвуковий апарат для передбачуваного процесу MgH2. Наш досвідчений персонал допоможе вам від техніко-економічних випробувань та оптимізації процесу до встановлення вашої ультразвукової системи на кінцевому рівні виробництва.
Невелика площа наших ультразвукових гомогенізаторів, а також їх універсальність у варіантах установки дозволяють їм вписатися навіть у приміщення з невеликим простором для обробки. Ультразвукові процесори встановлюються по всьому світу на підприємствах з виробництва тонкої хімії, нафтохімії та наноматеріалів.

Пакетні та вбудовані

Сонохімічне обладнання Hielscher може використовуватися для періодичної та безперервної проточної обробки. Ультразвукова пакетна обробка ідеально підходить для тестування процесів, оптимізації та рівня виробництва малого та середнього розміру. Для виробництва великих обсягів матеріалів більш вигідною може бути внутрішня обробка. Безперервний процес вбудованого мікшування вимагає складного налаштування – що складається з насоса, шлангів або труб і резервуарів -, але він високоефективний, швидкий і вимагає значно менших трудовитрат. Hielscher Ultrasonics має найбільш підходящу сонохімічну установку для вашої реакції соносинтезу, обсягу обробки та цілей.

Ультразвукові зонди та реактори для гідролізу MgH2 у будь-якому масштабі

Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр ультразвукових процесорів, від компактних лабораторних ультразвукових пристроїв для настільних і пілотних систем до повністю промислових ультразвукових процесорів з продуктивністю обробки вантажівок на годину. Повний асортимент продукції дозволяє нам запропонувати вам найбільш підходящий ультразвуковий гомогенізатор для вашої виробничої потужності та виробничих цілей.
Ультразвукові настільні системи ідеально підходять для техніко-економічного обґрунтування та оптимізації процесів. Лінійне масштабування на основі встановлених параметрів процесу дозволяє дуже легко збільшувати потужності з переробки від невеликих партій до повністю комерційного виробництва. Ап-скейлінг може бути виконаний або шляхом встановлення більш потужного ультразвукового блоку, або шляхом кластеризації декількох ультразвукових апаратів паралельно. Завдяки UIP16000 компанія Hielscher пропонує найпотужніший ультразвуковий гомогенізатор у всьому світі.

Точно контрольовані амплітуди для оптимальних результатів

Всі ультразвукові апарати Hielscher точно управляються і тим самим надійні робочі коні на виробництві. Амплітуда є одним з найважливіших параметрів процесу, що впливають на ефективність і результативність сонохімічних реакцій Всі процесори Hielscher Ultrasonics дозволяють точно встановлювати амплітуду. Сонотроди і бустерні ріжки - це аксесуари, що дозволяють змінювати амплітуду в ще більш широкому діапазоні. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та забезпечувати необхідну ультразвукову інтенсивність для вимогливих застосувань. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7.
Точні налаштування амплітуди та постійний моніторинг параметрів ультразвукового процесу за допомогою інтелектуального програмного забезпечення дають вам можливість обробляти ваші реаганти в найбільш ефективних ультразвукових умовах. Оптимальне ультразвукове дослідження для видатної швидкості хімічного перетворення!
Надійність ультразвукового обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах і в складних умовах. Це робить ультразвукове обладнання Hielscher надійним робочим інструментом, який відповідає вашим вимогам до хімічного процесу.

Найвища якість – Розроблено та виготовлено в Німеччині

Як сімейний бізнес, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості для своїх ультразвукових процесорів. Всі ультразвукові апарати розроблені, виготовлені та ретельно протестовані в нашій штаб-квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Міцність і надійність ультразвукового обладнання Hielscher роблять його робочою конячкою на вашому виробництві. Робота 24/7 при повному навантаженні та в складних умовах є природною характеристикою високопродуктивних міксерів Hielscher.
Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть видавати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200 мкм можна легко безперервно працювати в режимі 24/7. Для ще більш високих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну потужність обробки наших ультразвукових апаратів: