Фундаментальні аспекти відновлювано-водневої енергетики і паливно-комірчаних технологій

Теоретичний пошук оптимізованих структур нановуглецевих систем, яким притаманна підвищена адсорбційна ємність щодо молекулярного водню

Будова комплексів перехідного стану хемосорбції молекули водню на ПАМ С54Н18 (а) і його азот- (С52N2Н18) (б) та борвмісного похідного (С52В2Н18) (в)

Області застосування

Результати, отримані при виконанні проекту, будуть використані для визначення складу та структури адсорбційних центрів вуглецевих матеріалів різної природі, зокрема допованих графенів, які володіють підвищеною адсорбційної ємністю відносно молекулярного і атомарного водню, та енергії утворення адсорбційних комплексів (АК). Оцінка адсорбційної ємності вуглецевих наноструктур буде проведена, виходячи із отриманих даних щодо рівноважної просторової структури їх складових та типів фізичних і хімічних взаємодій як молекулярної, так і супрамолекулярної природи.

Короткий опис

Для реалізації теоретичних досліджень застосовано комп’ютерне моделювання, яке, будучи альтернативним до експериментальних методів досліджень, базується на методиках і підходах квантової механіки і квантової хімії. Відповідний математичний апарат і числові методи розрахунків все більш широко використовуються для опису властивостей хімічних сполук, твердого тіла і адсорбційних комплексів на його поверхні, що дозволяє оцінити результати будь-яких варіантів експерименту на атомно-молекулярному рівні. При цьому попередні пошукові роботи відносно вивчення можливостей використання вуглецевих матеріалів як накопичувального середовища водню дозволили, разом з аналізом результатів дослідних робіт, оцінити можливість існування ефективних водневих акумуляторів.

Очікувані властивості

Теоретичні розрахунки сучасними методами квантової хімії дають обґрунтовані відомості відносно структури та енергетичних параметрів адсорбційних комплексів водню без залучення довготривалих та дорогих експериментальних досліджень. Порівняння їх результатів з дослідними даними дозволяє скорегувати методику розрахунків та раціонально спланувати напрямки експерименту.

Переваги

За результатами квантовохімічних та молекулярно-динамічних розрахунків просторової структури та властивостей адсорбційних комплексів атомарного та молекулярного водню з вуглецевими системами різної природи (одно- та багатостінні нанотрубки, кластери графеноподібної структури) будуть запропоновані для практичної реалізації методи конструювання активних центрів адсорбентів на основі вуглецю з високою адсорбційною ємністю відносно атомарного та молекулярного водню.

Стан розробки

Аналіз результатів квантовохімічних розрахунків засвідчив про екзотермічність дисоціативної адсорбції молекулярного водню на азотвмісних і борвмісних графеноподібних матеріалах. В той же час, для моделей чистого вуглецевого графеноподібного шару розрахункові дані вказують на малу ймовірність хімічної адсорбції молекулярного водню на ньому за звичайних умов. Дисоціативна хемосорбція молекули водню, не залежно від природи гетероатома в поліароматичній молекулі, термодинамічно більш ймовірніша на периферії модельних кластерів, ніж в їх центрі.
Розраховані енергія активації і енергія хемосорбції молекули водню, не залежно від розміру поліароматичної молекули, є найнижчими для її борвмісного аналога.
Енергія хемосорбції молекули водню залежить від розміру моделі і положення атомів Бору і Нітрогену, має від’ємні значення, що свідчить про самочинність відповідного процесу.
Для всіх розглянутих випадків, енергетичні параметри хемосорбції вказують на неефективність використання чистого вуглецевого матеріалу для хімічної адсорбції молекулярного водню в порівнянні з азот- і борвмісним. Однак використання як багаторазового адсорбента водню борвмісного вуглецевого матеріалу не доцільно, в зв’язку з його значно відємними значеннями енергії хемосорбції, і отже необоротності процесу адсорбції-десорбції водню.

Контактна інформація

Виконавець: Інститут-виконавець: Інститут хімії поверхні ім. О.О. Чуйка НАН України.

Проект №11 «Теоретичний пошук оптимізованих структур нановуглецевих систем, яким притаманна підвищена адсорбційна ємність щодо молекулярного водню»

Kерівник проекту:

Aкадемік НАН України,
доктор хімічних наук,
професор

Teл. +38 044 423-80-58

Е-mail:nikar@kartel.kiev.ua