بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
شبیه سازی دینامیک مولکولی جذب فیزیکی هیدروژن در نانولوله های کربنی چنددیواره
چکیده
جذب فیزیکی مولکول هیدروژن در نانولوله های کربنی به منظور امکان استفاده از این سیستم ها به عنوان ذخیره ساز هیدروژن مورد بررسی قرار گرفت . محاسبات با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی و در دمای اتاق انجام شد . برهم کنش بین مولکول های هیدروژن با اتم های کربن نانولوله و با یکدیگر با پتانسیل لنارد -جونز بیان شد. نانولوله های تک جداره و دو جداره و سه جداره با شعاع خارجی متوسط برای بررسی در نظر گرفته شدند. نتایج نشان می دهند که نانولوله های تک جداره جذب داخلی بیشتر و جذب خارجی کمتری نسبت به نانولوله های دو جداره و سه جداره دارند. ولی در مجموع جذب کل و درصد وزنی جذب کل در نانولوله های تک جداره بیشتر است و بنابراین نانولوله های تک جداره سیستم ها ی مناسب تری برای ذخیره سازی هیدروژن به نظر می رسند.
-1 مقدمه
امروزه تولید و استفاده از سوخت های تمیز نظیر هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک و سازگار با محیط زیست بسیار مورد توجه قرار گرفته اند بدلیل اینکه سوخت های فسیلی درحال به اتمام رسیدن هستند همچنین به لحاظ قیمت، تأمین امنیت و از طرف دیگر آلودگی های ایجاد شده توسط این سو خت ها که یکی از مهم ترین عوامل آلو دگی محیط زیست می باشد.
مزیت کلیدی هیدروژن قابلیت تولید آن از منابع مختلفی همچون سوختهای فسیلی، زیست توده، انرژی هستهای و انرژیهای تجدیدپذیر است. این گاز پس از احتراق بخارات آب تولید می کند که کاملا از نظر زیست محیطی پاک است ونیز محدودیت کمتری برای اشتعال نسبت به دیگر سوخت های فسیلی دارد.[1]از این رو از هیدروژن به عنوان پایه سوخت در آینده نام برده می شود اما چالش اصلی در این راستا ذخیره سازی و حمل ایمن و با صرفه هیدروژن می باشد. روش های فعلی برای ذخیره سازی هیدروژن گران قیمت و نا کارآمد هستند. علاوه بر آن بحث ایمنی و خطرات حمل ونقل آن ها همچنان پابرجاست. دانشمندان برای رهایی از این مشکلات بحث ذخیره سازی هیدروژن را به صورت جذب فیزیکی مطرح کردند. ذخیره سازی بر مبنای پتانسیل جذب فیزیکی ممکن است بازدهی انرژی بالاتری داشته باشد. نقطه جوش بسیار پایین هیدروژن آنرا ملزم می سازد که برای بدست آوردن مقدار کافی جذب ،در دمای K 70 جذب شود. هیدروژن جذب شده می تواند بسرعت و به آسانی با کمی تغییر در فشار و یا دما آزاد شود. بر خلاف هیدریدهای فلزی که برای آزاد کردن هیدروژن نیاز به شکستن پیوند می باشد که مستلزم صرف انرژی و هزینه است. در جذب فیزیکی هیچ پیوند شیمیایی شکسته نمی شود. پس از کشف نانو لوله های کربنی با توجه به خصوصیات ساختاری، مکانیکی و الکتریکی منحصر به فردی که دارند بعنوان یک کاندیدای مناسب به منظور ذخیره سازی هیدروژن مورد توجه قرار گرفتند.[2-5] ظرفیت ذخیره سازی هیدروژن در نانولوله های کربنی خالص حدود 8 درصد وزنی در377 K گزارش شد.[6]چن و همکارانش گزارش کردند برای نانولوله های چند لایه که ناخالصی پتاسیم ولیتیم دارند جذب هیدرون به 14 تا 20 درصد وزنی می تواند برسد.[7] بنابراین در مقایسه با دیگر ذخیره ساز های هیدروژن نظیر سیستم هیدروژن مایع، هیدروژن فشرده و هیدرید های فلزی نانولوله های کربنی بهترین انتخاب برای اهداف مورد نظر بوده و می تواند به عنوان سیستمی سبک فشرده ایمن وبا قابلیت استفاده مجدد در ذخیره سازی هیدروژن مورد استفاده قرار گیرد. در این پژوهش جذب فیزیکی مولکول هیدروژن در نانولوله های کربنی یک ، دو وسه جداره با استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی مورد بررسی قرار خواهدگرفت و همچنین میزان جذب هیدروژن در نانو لوله های ذکر شده مورد مقایسه قرار خواهد گرفت.
2 -روش و جزئیات محاسبات در این پژوهش محاسبات دینامیک مولکولی به وسیله بسته نرم افزاری DL-POLY انجام شده است.[8] جذب گاز هیدروژن در هنگرد NVT و در دمای300 K شبیه سازی شده است.[9] برای ثابت نگه داشتن دما ازترموستات نوز-هوور استفاده شده [10] و برای حل معادلات حرکت از الگوریتم پرش قورباغه استفاده شده است . بعلاوه گام زمانی 0/0001انتخاب شده بدلیل اینکه شرایط ذکرشده سیستم پایدارتری را برای محاسبات به وجود میآورند. طول نانولولههای کربنی در همه قسمتهای شبیهسازی 30 Ǻ در نظر گرفته شد در نتیجه بسته به نوع نانولوله تعداد کربن ها متغیر است. شبیهسازی ها در جعبهای به ابعاد 50×40×40 Ǻانجام گرفته و از شرایط مرزی دورهای استفاده شده است. در ابتدای شبیهسازی، سیستم ها به مدت30 ps به تعادل رسیده پس از آن شبیهسازی به مدت 100 ps ادامه داده شده است.
-3بحث و نتیجه گیری
-3-1نانولوله تک دیواره
نانولوله 0)،(19 با 532 اتم وشعاع7/44c برای بررسی انتخاب گردید. پتانسیل بین اتمهای کربن-کربن با پتانسیل ترسف توصیف شده است
.[11]
برای پتانسیل بین اتمی هیدروژن-هیدروژن از پتانسیل مورس استفاده شده است [12] و همچنین نیروی بین مولکولی کربن -هیدروژن و هیدروژن -هیدروژن با پتانسیل لنارد-جونز شبیهسازی شده است (معادله .[13](1
که در آن ε نشان دهنده بزرگی برهمکنش یا عمق پتانسیل با بعد انرژی و σ نشان دهنده شعاع تقریبی ذره با بعد طول است. جدول 1 پارامترهای پتانسیل لنارد-جونز برای هیدروژن - هیدروژن و کربن- هیدروژن را نشان می دهد.
سیستم در ابتدا تحت محاسبات بهینه قرار گرفت تا به حالت تعادل برسد. به منظور بررسی جذب فیزیکی مولکول هیدروژن ، 400 مولکول هیدروژن به صورت تصادفی در جعبه شبیه سازی در خارج و داخل نانو لوله قرار داده شدند و محاسبات بهینه برای رسیدن سیستم به مینیمم انرژی و مکان های تعادلی مولکول ها انجام شد. شکل 1 ساختار اولیه وساختار بهینه شده نهایی را نشان می دهد.
همانطور که در شکل 1 مشاهده می شود مولکول های هیدروژن در داخل و خارج نانولوله جذب شده اند و جذب داخلی و خارجی در نانولوله تک جداره وجود دارد. برای تعیین میزان گاز جذب شده تعداد هیدروژن های داخل نانولوله را به عنوان جذب داخلی و تعداد مولکول های هیدروژن خارج از نانولوله که تا فاصله4 Ǻ از نانولوله قرار دارند شمارش کرده و به عنوان جذب خارجی در نظر گرفته می شود. جدول2 میزان جذب داخلی و خارجی و انرژی سیستم را نشان می دهد. که این نتایج با نتایج تجربی مورد توافق است.[14]
