بخشی از مقاله
چکیده
در این پروژه از نظریه ی تابعی چگالی و بستهی نرم افزاری Quantum Espresso به منظور بررسی جذب فیزیکی مولکول هیدروژن در نانولولههای کاربید سیلسیم تک دیواره استفاده شده است. نقطهی تعادلی و میزان انرژی بستگی یک تک مولکول به عنوان تابعی از نوع نانولوله، شعاع نانولوله و وضعیت قرارگیری مولکول هیدروژن نسبت به نانولوله مورد مطالعه قرار گرفته است. چندین جایگاه و وضعیت مولکول هیدروژن نسبت به محور نانولوله در نظر گرفته و مشاهده شد که کایرالیتی نانولوله بر انرژی جذب و جهت گیری مولکول هیدروژن تأثیر گذار است. به دلیل کوچک بودن شعاع نانولولههای 3 - و - 3 و 0 - و - 5 جذب درونی مولکول هیدروژن امکانپذیر نیست. نتایج برای جذب داخلی نانولوله های 0 - و - 9 و 5 - و - 5 حاکی از آن است که انرژی جذب داخلی دو برابر انرژی جذب بیرونی است.
واژه های کلیدی: شعاع، بردار کایرال، جذب فیزیکی، مولکول هیدروژن، نانولولهی کاربید سیلسیم باریک.
مقدمه
در سالهای اخیر بخش بزرگی از جامعه علمی بر روی ذخیرهسازی هیدروژن به عنوان سوخت پاک تمرکز کردهاند وهدف آنها بهبود ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن و بالا بردن درصد وزنی ذخیرهسازی است .[1-4] برای اولین بار نانولولههای کربنی به عنوان ذخیرهساز هیدروژن مورد بررسی قرارگرفت. مطالعات و تحقیقات نشان داد که شعاع و کایرال نانولولههای کربنی بر میزان جذب و انرژی پیوند هیدروژن تأثیرگذار است و همین طور نانولولههای کربن آلاییده شده با فلزات قلیایی و واسطه میزان جذب هیدروژن بیشتری دارند. [5-8] ازسال2001 نانولولههای کاربید سیلسیم توسط گروههای مختلف به روشهای متفاوت تولید شد.[ 10-14 ] از آن زمان تحقیقات نظری و تجربی بر روی نانولولههای کاربید سیلسیم شروع شد. با استفاده از نظریه تابعی چگالی و محاسبات ابتدا به ساکنʼپایداری نانولوله های کاربید سیلسیم بررسی شد . [15,16]
این نانولوله ها با تناوب سیلسیوم –کربن نسبت به تناوب کربن-کربن و یا سیلسیوم-سیلسیوم با ثبات تر هستند .[ 15 ] همچنین در نوعی از نانو لوله های کاربید سیلسیوم که کربن و سیلسیوم به طور متناوب جایگاهشان بر روی دیوار نانولوله تغییر میکند به دلیل وجود نقاط باردار زیاد که سبب قطبیدگی پیوند میشوند ظرفیت جذب هیدروژن بالایی دارند.[ 1 ] در حالیکه نانولوله های کربنی بسته به کایرالیتی خود فلز یا نیمه هادی هستند، محاسبات نشان میدهند که نانولولههای کاربیدسیلسیم همیشه نیمه هادی، با شکاف مستقیم برای نانولولههای زیگزاگ و شکاف غیر مستقیم برای نانولولههای دسته صندلی و کایرال در نوار انرژی هستند .[16,17] نوع پیوند نانولوله های کربنی و نانولولههای کاربید سیلسیم متفاوت است در نتیجه با توجه به الکترونگاتیویته، نانولولههای کاربیدسیلسیم قطبی هستند.[ 18 ]
نانولولههای کاربیدسیلسیم تمایل بیشتری برای جذب هیدروژن نسبت به نانولولههای کربنی دارند، به دلیل وجود نقاط باردار ناشی از اختلاف جرم کربن و سیلسیوم که سبب ایجاد پیوند قطبی هیدروژن بر روی نانولوله میشود.[1,9,17] لازم به ذکر است که بسیاری از اتمهای فلزات واسطه و قلیایی میتوانند جذب شیمیایی نانولولههای کاربید سیلسیم شوند که افزودن این ناخالصی سبب جذب هیدروژن بیشتر میشود.[18,19,20]در این راستا جذب تک مولکول هیدروژن بر روی نانولولههای کاربید سیلسیم با شعاع و کایرالیتی متفاوت مورد بررسی قرار داده شد. نقاط تعادل مختلف، همچنین انرژی بستگی و جهت گیری مولکول هیدروژن و تأثیرکایرالیتی و شعاع نانولوله بر جذب هیدروژن در نانولوله مورد بررسی قرار گرفت.
روش محاسبات
کلیهی محاسبات با استفاده از بسته نرم افزاری Quantum espresso انجام شده است، که بر اساس نظریهی تابعی چگالی، به حل معادلات کوهن-شم و بسط توابع موج بر حسب امواج تخت میپردازد. از آنجا که منشاء جذب فیزیکی هیدروژن نیروی واندروالس میباشد، در نظر گرفتن این نیرو در محاسبات اهمیت ویژهای دارد. محاسبات حاضر با استفاده از تقریب شیب تعمیم یافته و با در نظر گرفتن نیروهای واندروالس انجام شد.برای بررسی تأثیر کایرالیتی بر جذب هیدروژن نانولولههای کاربید سیلسیم 5 - و - 5 و 0 - و - 9با شعاع تقریباً برابر، همچنین نانولوله های 3 - و - 3 و 0 - و - 5 نیزبا شعاع تقریباً برابر در نظر گرفته شد.همچنین با مقایسهی نانولوله ها با کایرالیتی یکسان و شعاع متفاوت تأثیر قطر نانولوله مورد بررسی قرار گرفت.بعد از محاسبات واهلش طول پیوند C-Siدر نانولوله ها تقریباً 1.77Å محاسبه شد. طول پیوند مولکول هیدروژن تقریباً 0.75Å بدست آمد و در تمام محاسبات فاصله از مرکز جرم مولکول هیدروژن در نظر گرفته شد.
