Σχεδίαση νέων νανο-πορωδών υλικών για αποθήκευση υδρογόνου

Designing new nanoporous materials for hydrogen storage

Stergiannakos, Taxiarchis

Στεργιαννάκος, Ταξιάρχης

Φρουδάκης, Γεώργιος

Στο πρώτο μέρος της μελέτης μας εξετάσαμε με πολλαπλής κλίμακας (multiscale) θεωρητικές τεχνικές την ικανότητα των κατιόντων Mg+2 στην ενίσχυση της αποθήκευσης H2 σε Μέταλλο-Οργανικά Σκελετικά υλικά (Metal-Organic Frameworks, MOF). Οι υπολογισμοί από «πρώτες αρχές» έδειξαν πως τα κατιόντα Mg+2 αύξησαν έως και πέντε φορές την αλληλεπίδραση των μορίων υδρογόνων με τον νέο προτεινόμενο οργανικό υποκαταστάτη του IRMOF-10 φτάνοντας την τιμή των 4.73kcal/mol. Η υποκατεστημένη ομάδα μπορεί να φιλοξενήσει πάνω του έως και πέντε μόρια υδρογόνου. Οι ατομιστικές προσομοιώσεις GCMC μας επαλήθευσαν πως το νέο προτεινόμενο υλικό είναι μεταξύ των υλικών που εμφανίζουν τις υψηλότερες προσροφητικές ικανότητες σε κατά όγκο και κατά βάρος αποθήκευση ειδικά σε ήπιες θερμοδυναμικές συνθήκες. Η στρατηγική που ακολουθήσαμε εισάγοντας τις κατάλληλες λειτουργικές ομάδες σε συνδυασμό με τα Mg+2 μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορες σκελετικές δομές για την ενίσχυση της ικανότητας αποθήκευσης υδρογόνου. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας μελέτης σχεδιάσαμε μια νέα δομή τύπου MOF χρησιμοποιώντας το μόριο Corrole ως πρωτοταγή δομική μονάδα και εξετάσαμε την αποθηκευτική του ικανότητα σε υδρογόνο καθώς και την αύξηση αυτής εμπλουτίζοντας την νέα αυτή δομή με άτομα Li. Οι υπολογισμοί από «πρώτες αρχές» έδειξαν ότι αυξάνει η ενέργεια αλληλεπίδρασης μεταξύ των μορίων υδρογόνου και της τροποποιημένης Corrole γέφυρας με λίθια φτάνοντας την τιμή των 3.58kcal/mol για το πρώτο υδρογόνο. Η γέφυρα Corrole εμπλουτισμένη με λίθια μπορεί να φιλοξενήσει μέχρι και δέκα μόρια υδρογόνου στην κοίλη και στη κυρτή πλευρά. Οι GCMC προσομοιώσεις επαλήθευσαν ότι η προτεινόμενη δομή MOF εμπλουτισμένη με λίθια εμφανίζει μεγαλύτερες αποθηκευτικές ικανότητες από το αντίστοιχο μη εμπλουτισμένο MOF, το οποίο είναι εντονότερο σε χαμηλές πιέσεις. (EL)

At the first part of our study we examined by means of multiscale theoretical techniques the ability of Mg+2 to enhance H2 storage in metal – organic frameworks. Ab initio calculations showed that Mg+2 increases more than five times the interaction energy between the hydrogen molecules and the new proposed organic linker of the MOF reaching the value of 4.73 kcal/mol. The substituted group of the linker may host up to five hydrogen molecules with an average interaction energy of 3.1 kcal/mole per H2 molecule. GCMC atomistic simulations verified that the proposed material can be qualified among the highest adsorbing materials for volumetric storage of H2, especially at ambient conditions. This functionalization strategy can be applied in many different framework structures to enhance their gas storage abilities. At the second part of this study we have designed a new MOF structure with a corrole-based carboxylate bridging ligand acting as primary organic building block and we examined the ability to enhance HH2 storage in Metal-Organic Frameworks. Ab-initio calculations showed that Li doping increase the interaction energy between the hydrogen molecules and the new proposed Li doped corrole linker compared to the undoped one, reaching the value of 3.58 kcal∙mol-1 for the first hydrogen molecule. Li doped corrole linker may host up to ten hydrogen molecules in both the convex and the concave side. GCMC atomistic simulations verified that the proposed Li doped material shows higher adsorption capacities than the non doped material, which are more pronounced at low pressures. (EN)

text

Τύπος Εργασίας--Μεταπτυχιακές εργασίες ειδίκευσης

Πρώτες αρχές

Physiorption

Metal organic frame works

Φυσιορόφηση

Μεταλλο-οργανικά σκελετικά νανοπορώδη υλικά

Υδρογόνο

Abinitio

Πανεπιστήμιο Κρήτης

E-Locus Ιδρυματικό Καταθετήριο

Elocus

Ελληνική γλώσσα

2011-02-10

000370037

http://elocus.lib.uoc.gr:443/dlib/3/9/0/metadata-dlib-1321942815-336376-8934.tkl

Σχολή/Τμήμα--Σχολή Θετικών και Τεχνολογικών Επιστημών--Τμήμα Χημείας--Μεταπτυχιακές εργασίες ειδίκευσης