Нанорозмірний гідрид магнію як ефективне середовище для зберігання водню

Ультразвукову обробку застосовують до гідриду магнію, щоб прискорити його гідроліз для підвищення виробництва водню. Крім того, наноструктурований ультразвуком гідрид магнію, тобто наночастинки MgH₂, демонструють покращену ємність зберігання водню.

Гідрид магнію для зберігання водню

Гідрид магнію, MgH₂, привернув широку увагу як варіант для зберігання водню. Основні переваги – це його поширеність, висока ефективність, мала вага, низька вартість та безпека. У порівнянні з іншими гідридами, придатними для зберігання водню, MgH₂ має найвищу щільність зберігання водню до 7,6 wt %. Водень можна зберігати в Mg у формі металевих гідридів на основі Mg. Процес синтезу MgH₂ відомий як дисоціативна хемосорбція. Поширеним методом виробництва металевих гідридів на основі Mg з Mg та H2 є утворення при температурі 300–400°C та тиску водню 2,4–40 MPa. Рівняння реакції утворення виглядає наступним чином: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Високотемпературна обробка супроводжується значними ефектами деградації гідридів, такими як рекристалізація, фазове розшарування, агломерація наночастинок тощо. Крім того, високі температури та тиски роблять утворення MgH2 енергоємним, складним і, як наслідок, дорогим.

Ультразвуковий гідроліз гідриду магнію

Hiroi et al. (2011) продемонстрували, що ультразвукова обробка наночастинок та нановолокон MgH₂ інтенсифікувала реакцію гідролізу MgH₂ + 2H2O = Mg(OH)₂ + 2H₂ + 277 kJ. У цьому дослідженні нановолокна MgH₂ виявили максимальну ємність зберігання водню 14,4 mass% при кімнатній температурі. Крім того, дослідники продемонстрували, що комбінація ультразвукової обробки та гідролізу MgH₂ є надзвичайно ефективною для генерування водню без нагрівання та додавання будь-яких хімічних агентів. Вони також виявили, що низькочастотний ультразвук був найбільш ефективним методом для отримання високого ступеня конверсії. Швидкість гідролізу при низькочастотній ультразвуковій обробці “сягала 76% за ступенем реакції через 7,2 ks при частоті ультразвуку 28 kHz. Це значення більш ніж у 15 разів перевищувало значення, отримане для зразка без ультразвукової обробки, що вказує на еквівалентну щільність водню 11,6 mass% на основі ваги MgH₂.”
Результати показали, що ультразвук посилить реакцію гідролізу MgH₂, збільшуючи константу швидкості реакції завдяки генерації радикалів та відлущуванню пасивного шару Mg(OH)₂ на непереробленому MgH₂ завдяки генерації великих зсувних сил. (Hiroi et al. 2011)

Проблема: Повільний гідроліз гідриду магнію

Було досліджено стимулювання гідролізу гідриду магнію за допомогою млинового подрібнення, обробки гарячою водою або хімічних добавок, але не було виявлено, що вони суттєво підвищують швидкість хімічної конверсії. Щодо додавання хімічних речовин, хімічні добавки, такі як буферні агенти, хелатори та іонообмінники, які допомагали запобігти утворенню пасивуючого шару Mg(OH)₂, створювали домішки у процесі після циклування Mg.

Рішення: Ультразвукове диспергування гідриду магнію

Ультразвукове диспергування та мокре подрібнення є високоефективною технікою для виробництва нанорозмірних частинок та кристалів із дуже вузькою кривою розподілу. Завдяки рівномірному диспергуванню гідриду магнію в нанорозмір, активна поверхня значно збільшується. Крім того, ультразвукова обробка видаляє пасивуючі шари та підвищує масоперенесення для кращих швидкостей хімічної конверсії. Ультразвукове подрібнення, диспергування, дезагломерація та очищення поверхні частинок перевершують інші техніки подрібнення за ефективністю, надійністю та простотою.

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

Наноструктурований гідрид магнію як покращене середовище для зберігання водню

Наноструктурування гідрідів магнію було науково доведено як ефективну стратегію, яка дозволяє одночасно покращити термодинамічні та кінетичні властивості абсорбції/десорбції MgH2. Нанорозмірні / наноструктуровані магнійвмісні структури, такі як наночастинки та нановолокна MgH2, можна додатково покращити, зменшуючи розмір частинок і зерен, тим самим знижуючи ентальпію утворення їхніх гідрідів ΔH. Розрахунки показали, що енергетичний бар’єр реакції для розкладу нанорозмірного MgH2 був значно нижчим, ніж для об’ємного MgH2, що свідчить про те, що інженерія наноструктури MgH2 є термодинамічно та кінетично сприятливою для підвищеної ефективності. (пор. Ren et al., 2023)

Порівняння енергетичних бар’єрів для абсорбції та десорбції водню в об’ємному MgH₂ та наноструктурованому наддрібному MgH₂.
(дослідження та графік: ©Zhang et al., 2020)

Ультразвукове нанорозмірювання та наноструктурування гідриду магнію

Ультразвукове наноструктурування є високоефективною технікою, яка дозволяє змінювати термодинаміку гідриду магнію, не впливаючи на ємність водню. Наддрібні наночастинки MgH₂ демонструють значно покращену ємність десорбції водню. Нанорозмірювання гідриду магнію є способом значно знизити температуру аб-/де-сорбції водню та збільшити швидкість ре-/дегідрогенування MgH₂ завдяки введенню дефектів, скороченню шляхів дифузії водню, збільшенню кількості центрів нуклеації та дестабілізації зв’язку Mg–H.
Проста сонохімічна обробка надає можливість утворення низькоенергетичних гідрідів, особливо у випадку обробки частинок магнію. Наприклад, Baidukova et al. (2026) продемонстрували можливість утворення низькоенергетичних гідрідів у пористій матриці магній-гідроксид магнію за допомогою сонохімічної обробки частинок магнію у водних суспензіях.

Нано-гідрід магнію, синтезований сонохімічно, для ефективного зберігання водню

Наночастинки гідриду магнію, отримані за допомогою ультразвуку, досягають оборотності при кімнатній температурі з 6,7 wt% оборотним зберіганням водню
Використання легких металевих гідрідів як носіїв для зберігання водню є перспективним підходом для безпечного та ефективного зберігання водню. Особливий металевий гідрид, гідрид магнію (MgH2), привернув значну увагу завдяки високому вмісту водню та поширеності магнію в природі. Однак об’ємний MgH2 має недолік, що полягає у його стабільності, вивільняючи водень лише при дуже високих температурах понад 300°C. Це непрактично та неефективно для застосувань, пов’язаних зі зберіганням водню.
Zhang et al. (2020) досліджували можливість оборотного зберігання водню при кімнатній температурі шляхом створення наддрібних наночастинок MgH₂. Вони використовували ультразвукову обробку для ініціювання процесу метатезису, який фактично є процесом подвійного розкладання. Ультразвукову обробку застосовували до суспензії, що складається з рідких і твердих речовин, з метою створення наночастинок. Ці наночастинки, без будь-яких додаткових каркасних структур, були успішно отримані з розмірами переважно близько 4-5 nm. Для цих наночастинок вони виміряли оборотну ємність зберігання водню 6,7 wt% при 30°C, що є значним досягненням, яке раніше не демонструвалося. Це стало можливим завдяки термодинамічній дестабілізації та зниженим кінетичним бар’єрам. Голі наночастинки також демонстрували стабільну та швидку поведінку циклічного поглинання/вивільнення водню під час 50 циклів при 150°C, що є помітним покращенням порівняно з об’ємним MgH₂. Ці результати представляють ультразвукову обробку як потенційний метод, що призводить до вищої ефективності MgH₂ для зберігання водню.
(пор. Zhang et al. 2020)

Розподіл розмірів частинок наддрібного MgH₂, отриманого після ультразвукової обробки.
(дослідження та графік: ©Zhang et al., 2020)

Високопродуктивні ультразвукові обробники для обробки гідриду магнію

Сонохімія – застосування потужного ультразвуку до хімічних реакцій – є надійною технологією обробки, яка сприяє та прискорює синтези, каталітичні реакції та інші гетерогенні реакції. Портфель Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр від компактних лабораторних ультразвукових обробників до промислових сонохімічних систем для всіх видів хімічних застосувань, таких як гідроліз гідриду магнію та його наномелення / наноструктурування. Це дозволяє нам у Hielscher запропонувати вам найбільш підходящий ультразвуковий обробник для вашого запланованого процесу з MgH2. Наш досвідчений персонал допоможе вам від тестів на feasibility та оптимізації процесу до встановлення вашої ультразвукової системи на рівні фінального виробництва.
Малі габарити наших ультразвукових гомогенізаторів, а також їхня універсальність у варіантах встановлення роблять їх придатними навіть для виробничих приміщень з обмеженою площею. Ультразвукові процесори встановлені по всьому світу на підприємствах тонкої хімії, нафтохімії та виробництва наноматеріалів.

Порційний та інлайн-режим

Сонохімічне обладнання Hielscher можна використовувати для порційної та безперервної проточної обробки. Ультразвукова порційна обробка ідеально підходить для тестування процесу, оптимізації та виробництва малого та середнього масштабу. Для виробництва великих обсягів матеріалів інлайн-обробка може бути більш вигідною. Безперервний інлайн-процес змішування вимагає складної установки – що складається з насоса, шлангів або труб і резервуарів, – але він є високоефективним, швидким і вимагає значно менше праці. Hielscher Ultrasonics має найбільш підходящу сонохімічну установку для вашої соно-синтетичної реакції, оброблюваного обсягу та цілей.

Ультразвукові зонди та реактори для гідролізу MgH₂ будь-якого масштабу

Асортимент продукції Hielscher Ultrasonics охоплює повний спектр ультразвукових процесорів від компактних лабораторних ультразвукових обробників через настільні та пілотні системи до повністю промислових ультразвукових процесорів із потужністю обробки вантажівок на годину. Повний асортимент продукції дозволяє нам запропонувати вам найбільш підходящий ультразвуковий гомогенізатор для вашої виробничої потужності та цілей виробництва.
Настільні ультразвукові системи ідеально підходять для тестування feasibility та оптимізації процесу. Лінійне масштабування на основі встановлених параметрів процесу робить дуже простим збільшення потужностей обробки від менших партій до повністю комерційного виробництва. Масштабування можна здійснити, встановивши більш потужний ультразвуковий пристрій або об’єднавши кілька ультразвукових обробників паралельно. З UIP16000 Hielscher пропонує найпотужніший ультразвуковий гомогенізатор у світі.

Точно контрольовані амплітуди для оптимальних результатів

Усі ультразвукові обробники Hielscher точно контрольовані і, таким чином, є надійними робочими конячками у виробництві. Амплітуда є одним із ключових параметрів процесу, які впливають на ефективність та результативність сонохімічних реакцій Усі процесори Hielscher Ultrasonics дозволяють точно встановлювати амплітуду. Сонотроди та підсилювальні рожки є аксесуарами, які дозволяють змінювати амплітуду в ще ширшому діапазоні. Промислові ультразвукові процесори Hielscher можуть забезпечувати дуже високі амплітуди та подавати необхідну ультразвукову інтенсивність для складних застосувань. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати безперервно в режимі роботи 24/7.
Точні налаштування амплітуди та постійний моніторинг параметрів ультразвукового процесу через розумне програмне забезпечення дають вам можливість обробляти ваші реагенти за найбільш ефективних ультразвукових умов. Оптимальна ультразвукова обробка для видатної швидкості хімічної конверсії!
Надійність обладнання Hielscher дозволяє працювати 24/7 у важких умовах та у складних середовищах. Це робить ультразвукові обробники Hielscher надійним інструментом, який задовольняє вимоги вашого хімічного процесу.

Найвища якість – розроблено та виготовлено в Німеччині

Як сімейний бізнес, Hielscher надає пріоритет найвищим стандартам якості для своїх ультразвукових процесорів. Усі ультразвукові гомогенізатори розробляються, виробляються та ретельно тестуються в нашій штаб-квартирі в Тельтові поблизу Берліна, Німеччина. Надійність та стабільність роботи ультразвукового обладнання Hielscher роблять його «робочою конячкою» у вашому виробництві. Цілодобова робота (24/7) під повним навантаженням та в складних умовах є природною характеристикою високопродуктивних змішувачів Hielscher.
Промислові ультразвукові процесори Hielscher Ultrasonics можуть забезпечувати дуже високі амплітуди. Амплітуди до 200µm можна легко підтримувати в режимі 24/7. Для ще вищих амплітуд доступні індивідуальні ультразвукові сонотроди.

Наведена нижче таблиця дає уявлення про приблизну продуктивність обробки наших ультразвукових гомогенізаторів: