CC BY
0"ANIQ VA TABIIY FANLARNING RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI" RESPUBLIKA ILMIY-AMALIY ANJUMANI 2024-YIL 7-MAY
UGLEROD NANONAYCHASIDA VODOROD DESORBSIYASINI O'RGANISHDA ENDOEDRAL NIKELNING
O'RNI
1O'ljayev O'tkir Boymamatovich, 2Urinov Shaxzod Ravshan o'g'li, 3Mehmonov Kamoliddin Komiljon o'g'li, 4Xalilov Umedjon Boymamatovich
1kichik ilmiy xodim, O'zR FA, U.A. Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari institute, 2talaba, Denov tadbirkorlik va pedagogoka insituti, 3PhD talabasi, O'zR FA, U.A.
Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari institute, 4fiz.-mat. fanlari doktori, katta ilmiy xodim, O'zR FA, Arifov nomidagi Ion-plazma va lazer texnologiyalari instituti
https://doi.org/10.5281/zenodo.11115333
Abstract. Hydrogen is a clean and renewable energy source that is currently in high demand worldwide. Therefore, hydrogen storage is a top priority in terms of safety and efficiency. Despite significant advances in hydrogen storage using carbon-based nanomaterials such as carbon nanotubes (CNTs), efforts to significantly increase hydrogen storage remain ineffective. In this simulation-based study, we demonstrate the effect of endohedral nickel atoms on the hydrogen storage capacity of single-walled CNTs (SWCNTs) using reactive molecular dynamics. In particular, we consider the effect of increasing the number of endohedral nickel atoms on the nature of adsorption and desorption of hydrogen atoms retained on the SWCNT surface.
Keywords: hydrogen energy, carbon nanotube, reactive molecular dynamics, hydrogen desorbtion.
Аннотация. Водород это чистый и возобновляемый источник энергии, который в настоящее время пользуется большим спросом во всем мире. Поэтому хранение водорода является главным приоритетом с точки зрения безопасности и эффективности. Несмотря на значительные успехи в хранении водорода с использованием наноматериалов на основе углерода, таких как углеродные нанотрубки (УНТ), попытки значительно увеличить запасы водорода остаются неэффективными. В этом исследовании, основанном на моделировании, мы демонстрируем влияние эндоэдральных атомов никеля на емкость хранения водорода одностенных УНТ (OCyHT) с использованием реактивной молекулярной динамики. В частности, рассмотрено влияние увеличения числа эндоэдральных атомов никеля на характер адсорбции и десорбции атомов водорода, удерживаемых на поверхности OCyHT.
Ключевые слова: водородная энергетика, углеродные нанотрубки, реактивная молекулярная динамика, десорбция водорода.
Annotatsiya. Vodorod toza va qayta tiklanadigan energiya manbai bo'lib, hozirda butun dunyoda talab katta. Shu sababli, vodorodni saqlash xavfsizlik va samaradorlik nuqtai nazaridan birinchi o'rinda turadi. Uglerod nanonaychalari (UNN) kabi uglerod asosidagi nanomateriallardan foydalangan holda vodorodni saqlash bo'yicha sezilarli yutuqlarga qaramay, vodorodni saqlashni sezilarli darajada oshirishga qaratilgan harakatlar samarasizligicha qolmoqda. Ushbu simulyatsiyaga asoslangan tadqiqotda biz endohedral nikel atomlarining reaktiv molekulyar dinamikadan foydalangan holda bir qavatli UNN (BQUNN) ning vodorod saqlash qobiliyatiga ta'sirini ko'rsatamiz. Xususan, ushbu ishda endoedral nikel atomlari sonini ko'paytirishning BQUNNyuzasida saqlanib qolgan vodorod atomlarining desorbsiya tabiatiga ta'sirini ko'rib chiqildi.
"ANIQ VA TABIIY FANLARNING RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI" RESPUBLIKA ILMIY-AMALIY ANJUMANI 2024-YIL 7-MAY
Kalit so'zlar: vodorod energiyasi, uglerodli nanonaycha, reaktiv molekulyar dinamika, vodorod desorbsiyasi.
Vodorod energiyasi qayta tiklanadigan tabiati, samaradorligi va ekologik tozaligi tufayli an'anaviy energiya manbalariga istiqbolli alternativ hisoblanadi [1]. Biroq, vodoroddan energiya sifatida foydalanishdagi eng muhim muammolardan biri vodorod atomlarini/molekulalarini samarali saqlashdir [2]. Hozirgi vaqtda vodorodni suyuq va siqilgan gaz holatida, metall gidridlar [3] va boshqa usullar [4] yordamida saqlash bo'yicha tadqiqotlar olib borilmoqda. So'nggi yillarda, ushbu usullar bilan birgalikda g'ovakli materiallarga, jumladan, metall-organik birikmalar (MOB), kovalent-organik birikmalar (COB) va uglerodga asoslangan nanostrukturalarda vodorod saqlash bo'yicha tadqiqotlar jadal sur'atlarda olib borilmoqda [5,6].
Ushbu nanostrukturalar ichida uglerod asosidagi nanomateriallar yengilligi va kimyoviy barqarorligi tufayli vodorodni saqlash uchun asosiy nomzodlardan biri hisoblanadi [7]. Ular orasida uglerod nanonaychalari (UNN) yuqori sirt maydoni, yuqori mexanik mustahkamligi va fizisorbsiya va xemisorbsiya orqali vodorod sorbsiyasini kuchaytirish qobiliyati tufayli vodorodni saqlash uchun yaxshi materiallar sifatida keng o'rganilmoqda [6]. Ushbu materiallarda vodorodni saqlash uchun turli nanokatalizatorlar (xususan, kaltsiy, kobalt, temir, nikel va palladiy) yordamida UNN yuzasida adsorbsiya jarayonlari tekshirilmoqda [8]. UNN metall nanoklasterlarni sirtiga adsorbsiya qilishdan tashqari, ularning ichida metall nanoklasterlarni o'stirish qobiliyatiga ham ega [9]. Endoedral metall atomlari yoki nanosimlardan foydalangan holda UNNlar yuzasida vodorodni saqlash imkoniyatini o'rganish vodorodni saqlashning yanada samarali va amaliy texnologiyalarini ishlab chiqish uchun muhim ta'sir ko'rsatishi mumkin.
Ushbu tadqiqotda sirti vodorodlangan endoedral nikel (Ni)li UNNlarning vodorodni saqlash qobiliyatiga ta'siri reaktiv molekulyar dinamika (MD) usuli orqali tahlil qilindi.
"m h
1-rasm (a) 13 ta nikel (Ni) va (b) vodorodli 13 ta nikel (Ni) UNNning yuqori va yon tomondan ko'rinishi. UNN va Ni atomlari mos ravishda kulrang tayoqchalar va yashil sharlar shaklida ifodalangan.
Tadqiqotda jarayonlarni modellashtirish MD ga asoslangan LAMMPS dasturiy to'plam [10] orqali amalga oshirildi. Atomlarning o'zaro ta'sirini ifodalash uchun ReaxFF potensiali parametrlaridan [11] foydalanildi. Model tizim sifatida bo'sh NinUNN (n=0) va endoedral
ANIQ VA TABIIY FANLARNING RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI' RESPUBLIKA ILMIY-AMALIY ANJUMANI 2024-YIL 7-MAY
NinUNN (n=1, 5, 13) tanlandi (1-rasm). Eksperimentlarda olinadigan juda uzun nanonaychaga taqlid qilish maqsadida, model nanonaycha uzunligi (z o'qi yo'nalishi) bo'yicha davriy chegara shartlari qo'llanilgan. Termodinamik tizimlar dastlab energiyasi keskin tushish va birlashgan gradient usullarini navbatma-navbat qo'llash orqali minimallashtirildi. Keyin, NpT ansamblda 1 K/ps tezlik bilan 900 K haroratgacha qizdirilib, NVT ansamblda termodinamik muvozanatda ushlab turildi. So'ngra, Ni atomlarining soniga qarab UNN sirtidan kimyosorbsiyalangan H atomlaridan H2 molekulalarining termal (harorat ta'siridagi) desorbsiyasi tahlil qilindi.
7,8-,
.c
o Ñ
"H
(1)
E
>
re C5
Ni0-UNN NÍ1-UNN NÍ5-UNN NÍ13-UNN
0
200
1000
400 600 800 Temperatura, K
2-rasm. turli endoedral Ni (n=0; 1; 5 va 13) atomli UNN uchun tizim haroratiga bog'liq bo'lgan kimyosorbsiyalangan H atomlarining gravimetrik zichligi keltirilgan.
Rasmdan ko'rinib turibdiki, vodorod desorbsiyasining chegara harorati Ni atomlarining sonining barcha tekshirilgan holatlari uchun 250 K dan yuqori, NinUNN (13 Ni) holida esa, desorbsiya 400 K dan yuqori haroratlarda kuzatiladi. To'liq H bilan qoplangan UNNlar uchun gravimetrik zichlik 7,70 wt.% ni tashkil qiladi, bu tizim haroratining oshishi bilan kamayadi. Pastroq haroratlarda (400 K) Ni atomlarining 0, 1, 5 va 13 holatlar uchun o'rtacha gravimetrik zichlik mos ravishda 7,44, 7,60, 7,62 va 7,70 wt.% ni tashkil qilsa, yuqori haroratda (900 K) bu qiymatlar mos ravishda 7,08, 7,20, 7,43 va 7,47 Wt% ga kamayadi. Demak, endoedral Ni atomlari xona haroratidan yuqori haroratlarda ham UNN yuzasida ko'proq kimyosorbsiyalangan H atomlarini saqlab qolish imkoniyatini oshirishi mumkin.
Umuman olganda, bu natijalar hozirgi vodorod desorbsiyasi uchun metal atomlari (xususan, Ni) ning rolini tushunishga yordam beradi.
REFERENCES
1. J. O. Abe, A. P. I. Popoola, E. Ajenifuja, and O. M. Popoola, Hydrogen Energy, Economy and Storage: Review and Recommendation, International Journal of Hydrogen Energy 44, 15072 (2019).
2. H. Barthelemy, M. Weber, and F. Barbier, Hydrogen Storage: Recent Improvements and Industrial Perspectives, International Journal of Hydrogen Energy 42, 7254 (2017).
3. I. P. Jain, P. Jain, and A. Jain, Novel Hydrogen Storage Materials: A Review of Lightweight Complex Hydrides, Journal of Alloys and Compounds 503, 303 (2010).
4. R. E. Morris and P. S. Wheatley, Gas Storage in Nanoporous Materials, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 4966 (2008).
"ANIQ VA TABIIY FANLARNING RIVOJLANISH ISTIQBOLLARI" RESPUBLIKAILMIY-AMALIY ANJUMANI 2024-YIL 7-MAY
5. U. B. Demirci, O. Akdim, J. Andrieux, J. Hannauer, R. Chamoun, and P. Miele, Sodium Borohydride Hydrolysis as Hydrogen Generator: Issues, State of the Art and Applicability Upstream from a Fuel Cell, Fuel Cells 10, 335 (2010).
6. A. C. Dillon, K. M. Jones, T. A. Bekkedahl, C. H. Kiang, D. S. Bethune, and M. J. Heben, Storage of Hydrogen in Single-Walled Carbon Nanotubes, Nature 386, 6623 (1997).
7. H. Lee, Y.-S. Kang, S.-H. Kim, and J.-Y. Lee, Hydrogen Desorption Properties of Multiwall Carbon Nanotubes with Closed and Open Structures, Applied Physics Letters 80, 577 (2002).
8. G. Ioannatos and X. Verykios, H2 Storage on Single- and Multi-Walled Carbon Nanotubes, International Journal of Hydrogen Energy - INT J HYDROGEN ENERG 35, 622 (2010).
9. L. Guan, Z. Shi, H. Li, L. You, and Z. Gu, Super-Long Continuous Ni Nanowires Encapsulated in Carbon Nanotubes, Chem. Commun. 1988 (2004).
10. A. P. Thompson et al., LAMMPS - a Flexible Simulation Tool for Particle-Based Materials Modeling at the Atomic, Meso, and Continuum Scales, Computer Physics Communications 271, 108171 (2022).
11. K. Chenoweth, A. C. T. Van Duin, and W. A. Goddard, ReaxFF Reactive Force Field for Molecular Dynamics Simulations of Hydrocarbon Oxidation, J. Phys. Chem. A 112, 1040 (2008).
