CC BY
12Хранение водорода Hydrogen storage
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОДОРОДНОЙ АДСОРБЦИИ УГЛЕРОДНЫМИ НАНОСТРУКТУРАМИ
А. В. Вахрушев, М. В. Суетин
Институт прикладной механики ул. Т. Барамзиной, 34, г. Ижевск, 426067, Россия Факс: +7 3412 507959; e-mail: postmaster@ntm.udm.ru
Моделирование выполнено методом молекулярной динамики адсорбции молекулярного водорода углеродными наноструктурами различного типа (фуллеренами, нанотрубками, фуллеритами и составными наноструктурами, образованными фуллеренами и нанотрубками) при различных термодинамических условиях. Рассчитаны изотермы и изобары адсорбции водорода и установлены термодинамические параметры, необходимые для устойчивой аккумуляции водорода наноструктурами. Исследована кинетика процессов адсорбции и десорбции и определены максимальные величины адсорбции молекулярного водорода.
Расчеты показали, что температура и давление существенно влияют на адсорбцию водорода в углеродные наноструктуры. Например, количество водорода, адсорбированного фуллереном С60 при Т = 77 К и Р = 5 МПа, достигает 4,94 вес. %, а при давлении 10 МПа — 6,6 вес. % (рис. 1).
леренами, поэтому водород фуллеритом не поглощается. При Т < 273 К фуллерит имеет простую кубическую структуру. Молекула водорода способна проникнуть во внутреннее пространство поры, так как размер входного отверстия поры, с учетом Ван-дер-Ваальсовых радиусов атомов углерода, в молекуле фуллеренов больше, чем линейная длина молекулы водорода, с учетом Ван-дер-Ваальсовых радиусов атомов водорода. Таким образом, вследствие изменения пространственной организации при Т < 273 К фуллерит способен адсорбировать водород. На рис. 2. показаны изотермы адсорбции водорода в фуллерит, образованный фуллеренами С60. Поведение изотермы адсорбции водорода в фулле-
4?
8 9 10 11 Давление, МПа
Рис. 1. Изотермы адсорбции водорода фуллереном С60: p — T = 77 К; ■ — T = 100 К
Важную роль играет пространственная организация наноструктур. Например, способность фуллерита адсорбировать водород определяется возможностью проникновения молекул водорода внутрь, между фуллеренами, образующими фуллерит. При T > 273 К фуллерит имеет кубическую гранецентрированную структуру. При этом молекулы водорода не имеют возможности проникать в тетраэдрические поры между фул-
8 9 10 11 Давление, МПа
Рис. 2. Изотермы адсорбции водорода фуллеритом, образованным фуллеренами С60: ♦ — Т = 77 К; ■ — Т = 100 К; ▲ — Т = 133 К
рите при Т = 77 К таково, что уже при нормальном давлении адсорбция достигает 2,17%. В своем дальнейшем развитии изотерма асимптотически стремится к 4 %.
Более низкие показатели водородной адсорбции для фуллерита, образованного из фуллеренов С60, чем для фуллерена С60, объясняются недостаточно большим расстоянием между фуллере-нами в образованной ими кубической решетке. Несмотря на усиление потенциала взаимодействия между молекулами водорода и фуллеренами в решётке фуллерита, адсорбция наблюдается только в центре решетки фуллерита (тетраэдрической поре) и центрах ее граней (входные отверстия поры).
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 6(38) (2006)
Водородная энергетика и транспорт
HYDROGEN ADSORPTION MODELLING FOR CARBON NANOSTRUCTURES
A. V. Vakhrouchev, M. V. Suyetin
Institute of Applied Mechanics Ural Branch RAS T. Baramzina, 34, Izhevsk, 426067, Russia Fax: +7 3412 507959; e-mail: postmaster@ntm.udm.ru
Molecular hydrogen adsorption in various carbon nanostructures under different thermodynamic conditions was simulated using the molecular dynamics technique. The following nanostructures were considered, i. e.: fullerenes, nanotubes, ful-lerites and compound nanostructures formed by fullerenes and nanotubes. Hydrogen adsorption isotherms and isobars were calculated, while there were determined the thermodynamic parameters required for continuous hydrogen accumulation in nanostructures. Adsorption and desorption kinetics was investigated as well, and maximum molecular hydrogen values were defined.
The calculations show that temperature and pressure cause an essential effect on hydrogen adsorption in carbon nanostructures. For example, the amount of hydrogen adsorbed by fullerene C60 is 4.94 wt. % at T = 77 K and P = 5 MPa, while at the pressure of 10.0 MPa it is 6.6 wt. % (fig. 1).
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Pressure, MPa
Fig. 1. Isotherms of the hydrogen adsorption by C60 fullerene: ▲ — T = 77 K; ■ — T = 100 K
Nanostructure's spatial features are very important. For example, a fullerite's hydrogen adsorption capacity depends on the hydrogen molecules penetrability into between fullerenes, which comprise such fullerite. E. g. fullerites have a face-centered cubic structure at T > 273 K. In this case, hydrogen molecules cannot penetrate into tetrahe-
dral pores between the fullerenes, and therefore, ^ hydrogen is not adsorbed by the fullerite. Howev- i er, at T < 273 K a fullerite has a simple cubic struc- Jj ture. So, hydrogen molecules are capable to pene- g trate into the internal space of a pore, since its ° entry size in a fullerene molecule is larger than 0 the linear length of a carbon molecule, provided the carbon and hydrogen atomic Van der Waals radii are taken into account. Thus, at T < 273 K a fullerite is capable to adsorb hydrogen due to spatial arrangement change. Figure 2 displays isotherms of hydrogen adsorption by the fullerite formed by C60 fullerenes. From the isotherm behavior at T = 77 K one can see that the adsorption reaches 2.17 % at a normal pressure. In its further progress the isotherm asymptomatically tends to 4 %.
Pressure, MPa
Fig. 2. Hydrogen adsorption isotherm for C60-fullerenes-comprised fullerite: ♦ — T = 77 K; ■ — T = 100 K; ▲ — T = 133 K
As for a fullerite formed from C60 fullerenes, s
lower hydrogen adsorption as compared to that of ^
fullerene C60 should be explained by a slightly larger ^
distance between the fullerenes in the cubic lattice s
formed by them. Despite a higher potential of the >g
interaction between the hydrogen molecules and &
the fullerenes in the fullerite lattice, the adsorp- |
tion is observed only in the fullerite lattice centre £
(a tetrahedral pore), as well as in the centers of |
the lattice faces (pore entries). *
c c
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE № 6(38) (2006) Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» АЭЭ № 6(38) (2006)
