Magnesium hydride kích thước nano làm lưu trữ hydro hiệu quả

Sonication được áp dụng cho magiê hydride để đẩy nhanh quá trình thủy phân magiê hydride để tăng cường tạo ra hydro. Ngoài ra, magiê hydride có cấu trúc nano siêu âm, tức là các hạt nano MgH2, cho thấy khả năng lưu trữ hydro được cải thiện.

Magiê hydride để lưu trữ hydro

Magiê hydrua, MgH₂, đã thu hút sự chú ý rộng rãi như một lựa chọn để lưu trữ hydro. Lợi ích chính là nguồn tài nguyên dồi dào, hiệu suất cao, trọng lượng nhẹ, chi phí thấp và an toàn. So với các hydrua khác có thể sử dụng để lưu trữ hydro, MgH₂ có mật độ lưu trữ hydro cao nhất với tối đa 7,6% trọng lượng. Hydro có thể được lưu trữ trong Mg dưới dạng hydrua kim loại dựa trên Mg. Quá trình tổng hợp MgH2 được gọi là hóa hấp thụ phân ly. Một phương pháp phổ biến để sản xuất hydrua kim loại dựa trên Mg từ Mg và H2, là sự hình thành ở nhiệt độ 300-400 ° C và áp suất hydro 2,4-40 MPa. Phương trình hình thành như sau: Mg + H₂ ⇌ MgH₂
Việc xử lý nhiệt cao đi kèm với các tác động suy thoái đáng kể của hydride, chẳng hạn như kết tinh lại, phân tách pha, kết tụ hạt nano, v.v. Hơn nữa, nhiệt độ và áp suất cao làm cho sự hình thành MgH2 tốn nhiều năng lượng, phức tạp và do đó tốn kém.

Thủy phân siêu âm magiê hydride

Hiroi et al. (2011) đã chứng minh rằng sonication của các hạt nano MgH2 và sợi nano tăng cường phản ứng thủy phân MgH2 + 2H2O = Mg (OH) 2 + 2H2 + 277 kJ. Trong nghiên cứu này, các sợi nano MgH2 thể hiện khả năng lưu trữ hydro tối đa là 14,4% khối lượng ở nhiệt độ phòng. Ngoài ra, các nhà nghiên cứu đã chứng minh rằng sự kết hợp giữa sonication và thủy phân MgH2 có hiệu quả đáng kể để tạo ra hydro hiệu quả mà không cần gia nhiệt và thêm bất kỳ tác nhân hóa học nào. Họ cũng phát hiện ra rằng siêu âm tần số thấp là phương pháp hiệu quả nhất để có được tỷ lệ chuyển đổi cao. Tốc độ thủy phân ở sonication tần số thấp "đạt tới 76% về mức độ phản ứng ở 7,2 ks ở tần số siêu âm 28 kHz. Giá trị này gấp hơn 15 lần giá trị thu được trong trường hợp mẫu không âm thanh, cho thấy mật độ hydro tương đương 11,6% khối lượng trên cơ sở trọng lượng của MgH2.
Kết quả cho thấy siêu âm sẽ tăng cường phản ứng thủy phân của MgH2 bằng cách tăng tốc độ phản ứng không đổi do tạo ra gốc và tẩy tế bào chết lớp thụ động của Mg (OH) 2 trên MgH2 không phản ứng do tạo ra lực cắt lớn. (Hiroi và cộng sự 2011)

Vấn đề: Thủy phân chậm magiê hydride

Thúc đẩy thủy phân magiê hydride thông qua phay bi, xử lý nước nóng hoặc phụ gia hóa học đã được nghiên cứu, nhưng không được tìm thấy để tăng cường tỷ lệ chuyển đổi hóa học một cách đáng kể. Về việc bổ sung các hóa chất, phụ gia hóa học, chẳng hạn như chất đệm, chelator và bộ trao đổi ion, giúp ngăn chặn sự hình thành lớp Mg (OH) 2 thụ động, tạo ra tạp chất trong quá trình chu kỳ sau MG.

Giải pháp: Siêu âm phân tán magiê hydride

Siêu âm phân tán và phay ướt là một kỹ thuật hiệu quả cao để sản xuất các hạt và tinh thể có kích thước nano với đường cong phân phối rất hẹp. Bằng cách phân tán magiê hydride đồng đều ở kích thước nano, diện tích bề mặt hoạt động trở nên mở rộng đáng kể. Hơn nữa, sonication loại bỏ các lớp thụ động và tăng chuyển khối lượng cho tỷ lệ chuyển đổi hóa học vượt trội. Phay siêu âm, phân tán, deagglomeration và làm sạch bề mặt hạt vượt trội các kỹ thuật phay khác về hiệu quả, độ tin cậy và đơn giản.

Siêu âm ướt phay và phân tán là một phương pháp hiệu quả cao để giảm kích thước hạt, ví dụ như magiê hydride

Nanostructured Magnesium Hydride như cải thiện lưu trữ hydro

Các hydrua magiê cấu trúc nano đã được khoa học chứng minh là một chiến lược hiệu quả cho phép đồng thời tăng cường các đặc tính nhiệt động lực học và động học ab / khử hấp thụ của MgH2. Các cấu trúc dựa trên magiê có kích thước nano / cấu trúc nano như hạt nano MgH2 và sợi nano có thể được tăng cường hơn nữa bằng cách giảm kích thước hạt và hạt, do đó làm giảm sự hình thành hydride entanpy ΔH của chúng. Các tính toán cho thấy rào cản phản ứng đối với sự phân hủy MgH2 có kích thước nano thấp hơn đáng kể so với MgH2 số lượng lớn, cho thấy kỹ thuật cấu trúc nano của MgH2 thuận lợi về mặt nhiệt động lực học và động học đối với hiệu suất nâng cao. (xem Ren và cộng sự, 2023)

So sánh các rào cản năng lượng đối với sự hấp thụ và giải hấp hydro của khối lượng lớn MgH2 và MgH2 siêu mịn có cấu trúc nano.
(nghiên cứu và đồ thị: ©Zhang et al., 2020)

Siêu âm nanosizing và cấu trúc nano của magiê hydride

Cấu trúc nano siêu âm là một kỹ thuật hiệu quả cao cho phép thay đổi nhiệt động lực học của magiê hydride mà không ảnh hưởng đến công suất hydro. Các hạt nano MgH2 siêu mịn thể hiện khả năng hấp thụ hydro được cải thiện đáng kể. Hydride magiê kích thước nano là một cách để giảm đáng kể nhiệt độ khử hấp thụ hydro ab / khử hấp thụ và tăng tốc độ tái / khử hydro hóa MgH2, do sự ra đời của các khuyết tật, rút ngắn đường khuếch tán hydro, tăng vị trí tạo mầm và mất ổn định liên kết Mg-H.
Một điều trị sonochemical đơn giản cung cấp khả năng hình thành hydride năng lượng thấp, đặc biệt, trong trường hợp xử lý hạt magiê. Ví dụ, Baidukova et al. (2026) đã chứng minh khả năng hình thành hydrua năng lượng thấp trong ma trận magiê-magiê hydroxit xốp bằng phương pháp xử lý sonochemical các hạt magiê trong huyền phù nước.

Sonochemically tổng hợp nano-magnesium hydride để lưu trữ hydro hiệu quả

Các hạt nano magiê hydride được chuẩn bị siêu âm đạt được khả năng đảo ngược nhiệt độ môi trường xung quanh của 6,7 wt% lưu trữ đảo ngược hydro
Sử dụng hydrua kim loại nhẹ làm chất mang để lưu trữ hydro là một cách tiếp cận đầy hứa hẹn để lưu trữ hydro an toàn và hiệu quả. Một hydrua kim loại đặc biệt, magiê hydride (MgH2), đã thu hút được sự quan tâm đáng kể do hàm lượng hydro cao và sự phong phú của magiê trong tự nhiên. Tuy nhiên, khối lượng lớn MgH2 có nhược điểm là ổn định, chỉ giải phóng hydro ở nhiệt độ rất cao hơn 300 ° C. Điều này là không thực tế và không hiệu quả cho các ứng dụng liên quan đến lưu trữ hydro.
Zhang et al. (2020) đã nghiên cứu khả năng lưu trữ hydro thuận nghịch ở nhiệt độ môi trường xung quanh bằng cách tạo ra các hạt nano siêu mịn của MgH2. Họ đã sử dụng sonication để bắt đầu một quá trình trao đổi, đó là một quá trình phân hủy kép một cách hiệu quả. Sonication được áp dụng cho bùn bao gồm chất lỏng và chất rắn với mục đích tạo ra các hạt nano. Những hạt nano này, không có bất kỳ cấu trúc giàn giáo bổ sung nào, đã được sản xuất thành công với kích thước chủ yếu khoảng 4-5nm. Đối với các hạt nano này, y đo được khả năng lưu trữ hydro thuận nghịch là 6,7% trọng lượng ở 30 ° C, một thành tựu quan trọng chưa từng được chứng minh trước đây. Điều này đã được thực hiện bởi sự mất ổn định nhiệt động lực học và giảm các rào cản động học. Các hạt nano trần cũng thể hiện hành vi chu kỳ hydro ổn định và nhanh chóng trong 50 chu kỳ ở 150 ° C, một cải tiến đáng chú ý so với MgH2 số lượng lớn. Những phát hiện này trình bày sonication như là phương pháp điều trị tiềm năng dẫn đến hiệu quả cao hơn của MgH2 để lưu trữ hydro.
(xem Zhang và cộng sự 2020)

Phân bố kích thước hạt siêu mịn MgH2 chuẩn bị sau khi sonication.
(nghiên cứu và đồ thị: ©Zhang et al., 2020)

Ultrasonicators hiệu suất cao để điều trị magiê hydride

Sonochemistry – ứng dụng siêu âm điện vào các phản ứng hóa học – là một công nghệ xử lý đáng tin cậy, tạo điều kiện và tăng tốc tổng hợp, phản ứng xúc tác và các phản ứng không đồng nhất khác. Danh mục đầu tư của Hielscher Ultrasonics bao gồm đầy đủ từ ultrasonicators phòng thí nghiệm nhỏ gọn đến hệ thống sonochemical công nghiệp cho tất cả các loại ứng dụng hóa học như thủy phân magiê hydride và nano-milling / cấu trúc nano của nó. Điều này cho phép chúng tôi tại Hielscher để cung cấp cho bạn ultrasonicator phù hợp nhất cho quá trình dự kiến MgH2 của bạn. Đội ngũ nhân viên giàu kinh nghiệm lâu năm của chúng tôi sẽ hỗ trợ bạn từ các thử nghiệm khả thi và tối ưu hóa quy trình đến việc lắp đặt hệ thống siêu âm của bạn ở cấp độ sản xuất cuối cùng.
Dấu chân nhỏ của homogenizers siêu âm của chúng tôi cũng như tính linh hoạt của họ trong các tùy chọn cài đặt làm cho họ phù hợp ngay cả với các cơ sở xử lý không gian nhỏ. Bộ vi xử lý siêu âm được cài đặt trên toàn thế giới trong hóa học tốt, hóa dầu, và các cơ sở sản xuất vật liệu nano.

Hàng loạt và nội tuyến

Trang bị sonochemical Hielscher có thể được sử dụng để xử lý hàng loạt và liên tục. Xử lý hàng loạt siêu âm là lý tưởng cho quá trình thử nghiệm, tối ưu hóa và mức độ sản xuất vừa và nhỏ. Đối với việc sản xuất khối lượng lớn vật liệu, xử lý nội tuyến có thể thuận lợi hơn. Một quá trình trộn nội tuyến liên tục đòi hỏi một thiết lập tinh vi – bao gồm một máy bơm, ống hoặc ống và bể chứa -, nhưng nó có hiệu quả cao, nhanh chóng và đòi hỏi ít lao động hơn đáng kể. Hielscher Ultrasonics có thiết lập sonochemical phù hợp nhất cho phản ứng tổng hợp sono, khối lượng xử lý và mục tiêu của bạn.

Đầu dò siêu âm và lò phản ứng thủy phân MgH2 ở mọi quy mô

Phạm vi sản phẩm Hielscher Ultrasonics bao gồm toàn bộ phổ của bộ vi xử lý siêu âm từ ultrasonicators phòng thí nghiệm nhỏ gọn trên băng ghế dự bị và hệ thống thí điểm để bộ vi xử lý siêu âm hoàn toàn công nghiệp với khả năng xử lý tải trọng xe tải mỗi giờ. Phạm vi sản phẩm đầy đủ cho phép chúng tôi cung cấp cho bạn máy đồng nhất siêu âm phù hợp nhất cho năng lực quá trình và mục tiêu sản xuất của bạn.
Hệ thống để bàn siêu âm là lý tưởng cho việc kiểm tra tính khả thi và tối ưu hóa quá trình. Mở rộng quy mô tuyến tính dựa trên các thông số quy trình đã thiết lập giúp dễ dàng tăng công suất xử lý từ các lô nhỏ hơn sang sản xuất thương mại hoàn toàn. Up-scaling có thể được thực hiện bằng cách cài đặt một đơn vị siêu âm mạnh mẽ hơn hoặc cụm một số ultrasonicators song song. Với UIP16000, Hielscher cung cấp máy đồng nhất siêu âm mạnh nhất trên toàn thế giới.

Biên độ có thể kiểm soát chính xác cho kết quả tối ưu

Tất cả các ultrasonicators Hielscher có thể kiểm soát chính xác và do đó ngựa làm việc đáng tin cậy trong sản xuất. Biên độ là một trong những thông số quá trình quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả và hiệu quả của các phản ứng sonochemical Tất cả các bộ vi xử lý Hielscher Ultrasonics cho phép thiết lập chính xác biên độ. Sonotrodes và sừng tăng cường là những phụ kiện cho phép sửa đổi biên độ trong phạm vi rộng hơn nữa. Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp Hielscher có thể cung cấp biên độ rất cao và cung cấp cường độ siêu âm cần thiết cho các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7.
Cài đặt biên độ chính xác và giám sát vĩnh viễn các thông số quá trình siêu âm thông qua phần mềm thông minh cung cấp cho bạn khả năng điều trị reagants của bạn với các điều kiện siêu âm hiệu quả nhất. Sonication tối ưu cho một tỷ lệ chuyển đổi hóa học vượt trội!
Sự mạnh mẽ của thiết bị siêu âm Hielscher cho phép hoạt động 24/7 ở nhiệm vụ nặng nề và trong môi trường đòi hỏi khắt khe. Điều này làm cho thiết bị siêu âm của Hielscher trở thành một công cụ làm việc đáng tin cậy đáp ứng các yêu cầu quá trình hóa học của bạn.

Chất lượng cao nhất – Được thiết kế và sản xuất tại Đức

Là một doanh nghiệp gia đình và do gia đình điều hành, Hielscher ưu tiên các tiêu chuẩn chất lượng cao nhất cho bộ vi xử lý siêu âm của mình. Tất cả các ultrasonicators được thiết kế, sản xuất và kiểm tra kỹ lưỡng tại trụ sở chính của chúng tôi ở Teltow gần Berlin, Đức. Mạnh mẽ và độ tin cậy của thiết bị siêu âm Hielscher làm cho nó trở thành một con ngựa làm việc trong sản xuất của bạn. Hoạt động 24/7 dưới tải đầy đủ và trong môi trường đòi hỏi khắt khe là một đặc tính tự nhiên của máy trộn hiệu suất cao của Hielscher.
Bộ vi xử lý siêu âm công nghiệp Hielscher Ultrasonics có thể cung cấp biên độ rất cao. Biên độ lên đến 200μm có thể dễ dàng chạy liên tục trong hoạt động 24/7. Đối với biên độ cao hơn, sonotrodes siêu âm tùy chỉnh có sẵn.

Bảng dưới đây cung cấp cho bạn một dấu hiệu về khả năng xử lý gần đúng của ultrasonicators của chúng tôi: