CC BY
16
УДК 538.9:539.2
ФИЗИЧЕСКАЯ СОРБЦИЯ ВОДОРОДА В ПЛАНАРНЫХ И НАНОТУБУЛЯРНЫХ УГЛЕРОДНЫХ СУПРАКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СТРУКТУРАХ
Р.А. БРАЖЕ, И.С. ОЛЕНИН
Ульяновский государственный технический университет
Рассчитана предельная сорбционная емкость по молекулярному водороду планарных и нанотубулярных углеродных супракристаллических структур. Показано, что в ряде случаев супракристаллические структуры обладают большей сорбционной емкостью, чем графен и углеродные нанотрубки.
Ключевые слова: водородная энергетика, графен, углеродные нанотрубки, сорбция, супракристаллы.
Одной из важнейших проблем водородной энергетики, особенно для использования в транспортных средствах, является создание безопасных систем сорбции/десорбции водорода, работающих при не слишком высоких температурах и давлениях. Перспективными материалами для этого считаются углеродные наноструктуры: графен и углеродные нанотрубки [1, 2]. В работах [3, 4] нами было показано, что графеноподобные 2Б-супракристаллические структуры, благодаря своей большой удельной поверхности, могут химическим путем связывать большее количество атомарного водорода, чем графен при его превращении в графан. В настоящей работе мы исследуем возможности физической сорбции молекулярного водорода в планарных [5] (рис. 1) и нанотубулярных [6] (рис. 2) углеродных супракристаллических структурах. Предполагается, что молекулы водорода удерживаются с обеих сторон поверхности сорбента Ван-дер-Ваальсовыми силами. Энергия такого взаимодействия не превышает нескольких десятых долей электронвольта на молекулу, что намного меньше энергии связи атомов углерода в наноструктуре и энергии диссоциации молекул водорода.
Максимально достижимое значение поверхностной плотности водорода <-н принимается равным соответствующему значению для жидкого водорода в виде мономолекулярного слоя, покрывающего поверхность углеродной наноструктуры (-н ~ 2,56 -10 8 кг/м2) [1]. Тогда для планарных углеродных наноструктур предельная сорбционная емкость
п р = --н-, (1)
С + —
где -с - поверхностная плотность соответствующей планарной углеродной
структуры. Результаты расчета в сравнении с графеном представлены в табл. 1. При
© Р.А. Браже, И. С. Оленин Проблемы энергетики, 2012, № 7-8
этом принималось во внимание, что стс = 1/5, где 5 - удельная поверхность наноструктуры (приведена в [3]).
(С)б3(12) (С)664 (С)634
Рис. 1. Фрагменты графена (С)6 и супракристаллических планарных наноструктур
Таблица 1
Предельное массовое содержание водорода в планарных углеродных супракристаллических
ст руктурах
Вид ячейки Удельная поверхность 5, 106 м2/кг Поверхностная плотность ос , 10-7 кг/м2 Массовое содержание Н2 п ,, масс.% р1
(с)6 (графен) 2,63 3,8 6,3
(С)44 2,99 3,3 7,1
(С)63(6) 4,01 2,5 9,3
(С)63(12) 5,30 1,9 11,9
(С)664 3,95 2,5 9,2
(С)634 5,09 2,0 11,5
Из табл. 1 видно, что все планарные углеродные супракристаллические структуры имеют сорбционную емкость по молекулярному водороду не хуже, а в некоторых случаях даже значительно более высокую, чем графен. Это объясняется большей, чем у графена, величиной удельной поверхности таких структур.
Для оценки степени объемного заполнения нанотубулярных супракристаллических структур использовалась формула
ПиЬ =(2)
Рс +Рн
70 кг/м3
где Рн ~ '0 кг/м - плотность жидкого водорода, а рс - плотность углеродной структуры, выражаемой соотношением
Рс = (3)
© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8
(С)44 (Л, Л)
(С)44 (Л, 0)
(С)«(й) (л, П)
(С)бз(б) (л, 0)
(C)é3(12J (л, л)
(С)«3<12) (л, 0)
(C)ÉÎ4 (л, л)
(С)«« (л, 0)
(С)04 (л, л) (C)i34 (л, 0)
Рис. 2. Супракристаллические углеродные нанотрубки
© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8
где О - диаметр нанотрубки. Результаты расчета удельной сорбционной емкости пи представлены в табл. 2. Рассматривались одностенные нехиральные супракристаллические нанотрубки: зигзагоподобные - (п, 0) и кресельноподобные - (п, п), диаметр которых превышает газокинетический размер молекул Н2 (0,29 нм).
Во избежание возможных недоразумений отметим, что в некоторых работах, в т.ч. и в [1], угол хиральности задается не по отношению к направлению сворачивания, а по отношению к оси нанотрубки. В этом случае обозначение (п, 0) соответствует
наноструктурам типа «кресло».
Таблица 2
_Предельное массовое содержание водорода в углеродных супракристаллических нанотрубках
Вид Индексы Диаметр НТ Объемная Массовое содержание Н2
супра- хираль- О, нм плотность
ячейки ности РС, 103 кг/м3 ПиЬ , масс.%
(6,6) 0,93 1,43 4,7
(8,8) 1,24 1,08 6,1
(9,9) 1,40 0,96 6,8
(11,11) 1,71 0,78 8,2
(с)44 (6,0) 0,66 2,03 3,3
(8,0) 0,88 1,52 4,4
(9,0) 0,99 1,35 4,9
(11,0) 1,21 1,11 6,0
(6,6) 1,23 0,81 8,0
(8,8) 1,64 0,61 10,3
(9,9) 1,85 0,54 11,5
(11,11) 2,26 0,44 13,7
(С)63(6) (6,0) 0,71 1,40 4,8
(8,0) 0,95 1,05 6,2
(9,0) 1,07 0,94 7,0
(11,0) 1,30 0,77 8,4
(6,6) 2,00 0,38 15,6
(8,8) 2,67 0,28 19,8
(9,9) 3,00 0,25 21,8
(11,11) 3,67 0,21 25,4
(С)63(12) (6,0) 1,16 0,65 9,7
(8,0) 1,54 0,49 12,5
(9,0) 1,73 0,44 13,8
(11,0) 2,12 0,36 16,4
(6,6) 2,44 0,42 14,4
(8,8) 3,26 0,31 18,4
(9,9) 3,66 0,28 20,2
(С) (11,11) 4,48 0,23 23,6
(с)664 (6,0) 1,41 0,72 8,9
(8,0) 1,88 0,54 11,5
(9,0) 2,12 0,48 12,8
(11,0) 2,59 0,39 15,2
(6,6) 1,96 0,40 14,9
(8,8) 2,62 0,30 18,9
(9,9) 2,94 0,27 20,8
(11,11) 3,60 0,22 24,3
(С)634 (6,0) 1,13 0,69 9,2
(8,0) 1,51 0,52 11,9
(9,0) 1,70 0,46 13,2
(11,0) 2,08 0,38 15,6
© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8
Супракристаллические нанотрубки (см. табл. 2) также в ряде случаев имеют сорбционную емкость большую, чем у графена. С уменьшением диаметра нанотрубки ее сорбционная способность ухудшается.
Рассмотренные углеродные супракристаллические наноразмерные структуры могут найти применение в накопителях водорода, используемых в водородной энергетике.
Summary
The ultimate storage capacity of molecular hydrogen sorption by planar and nanotubular supracrystalline structures is calculated. It is shown that supracrystalline structures in some cases have a greater sorption capacity than the graphene and carbon nanotubes.
Key words: hydrogen energetics, graphene, carbon nanotubes, sorption, supracrystals.
Литература
1. Нечаев Ю.С. О природе и предельных значениях сорбции водорода углеродными наноструктурами / Ю.С. Нечаев // УФН. 2006. Т. 176. № 6. С. 582-610.
2. Елецкий А.В. Сорбционные свойства углеродных наноструктур / А.В. Елецкий // УФН. 2004. Т. 174. № 11. С. 1191-1231.
3. Браже Р.А. Графеноподобные и графаноподобные супракристаллы - перспективные материалы для водородной энергетики / Р.А. Браже, И.С. Оленин // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2011. № 11-12. С. 165-169.
4. Brazhe R.A. Supracrystalline analogues of carbon nanomaterials for the hydrogen storage / R.A. Brazhe, I.S. Olenin // J. Phys.: Conf. Ser. 2012. V. 345. P. 012039.
5. Браже Р.А. Компьютерное моделирование физических свойств супракристаллов / Р.А. Браже, А.А. Каренин // Известия вузов. Поволжский регион. Физ.-мат. науки. 2011. № 2. С. 105-112.
6. Браже Р.А. Компьютерное моделирование электрических свойств супракристаллических нанотрубок / Р.А. Браже, А.А. Каренин // Известия вузов. Поволжский регион. Физ.-мат. науки. 2011. № 3. С. 131-139.
Поступила в редакцию 17 марта 2012 г.
Браже Рудольф Александрович - д-р физ.-мат. наук, профессор, зав. кафедрой «Физика» Ульяновского государственного технического университета. Тел.: 8 (8422) 77-83-78; 8 (8422) 43-12-74; 8 (906) 1404379. E-mail: brazhe@ulstu.ru.
Оленин Илья Сергеевич - аспирант кафедры «Физика» Ульяновского государственного технического университета. Тел.: 8 (8422) 77-83-78; 8 (8422) 35-37-50; 8 (917) 6293431.E-mail:olenin.ilya@gmail.com.
© Проблемы энергетики, 2012, № 7-8
