Проведено теоретическое определение максимального количества водорода, адсорбирующегося на поверхности ОУНТ
В последние годы в связи с большим ростом стоимости нефтепродуктов и требованиями экологии сильно вырос интерес к альтернативным источникам энергии. Одним из самых перспективных источников энергии является водород, адсорбированный в углеродных наноструктурах, состоящих из sp2-связанных атомов углерода - металлофуллеренов и однослойных углеродных нанотрубок (ОУНТ).
В данной работе проведено теоретическое определение максимального количества водорода, адсорбирующегося на поверхности ОУНТ при различных внешних температурах и давлениях.
Был предложен способ расчета равновесной плотности молекул, адсорбированных внутри однослойных нанотрубок. В данной модели при вычислении свободной энергии учитывались как квантово-механические эффекты, приводящие к дискретным уровням энергии частицы и к распределенности ее положения между соседями, так и эффект перехода частицы на возбужденные уровни и вклад фононов.
Данный метод был применен для расчета количества водорода, физически адсорбирующегося как внутри, так и снаружи углеродных нанотрубок вида (3,3), (6,0), (10,10), (20,20). Было установлено (рис.6), что из-за проявления квантовых свойств легких молекул при изменении внешнего давления или температуры наблюдается последовательность фазовых переходов первого рода, приводящая к скачкообразному изменению плотности адсорбированных молекул водорода на поверхности ОУНТ.
Было установлено, что величина плотности водорода, адсорбированного внутри или снаружи ОУНТ не превышает 2% (вес.) даже при низких температурах и высоких давлениях. При сорбции водорода на обеих поверхностях ОУНТ его количество не превышает 4% (вес.), что не удовлетворяет требованиям автопромышленности (6.5%) для использования таких аккумуляторов на транспорте. Полученные результаты согласуются со многими экспериментальными результатами. Таким образом, только физическими методами без участия химической сорбции проблему накопления водорода в нанотрубках решить невозможно.
Рис. 6. Зависимость концентрации водорода, адсорбированного внутри однослойных углеродных нанотрубок вида (10,10) от внешних давления и температуры.
- А.С. Федоров, С.Г. Овчинников, «Плотность и термодинамика водорода, адсорбированного внутри однослойных углеродных нанотрубок», ФТТ, Vol. 46, No. 3, 2004, pp. 584–589.
- А.С. Федоров, П.Б. Сорокин, «Плотность и термодинамика водорода, адсорбированного внутри однослойных углеродных нанотрубок», ФТТ, 2006, V.48, N2, pp.377-382.
Лаборатория Физики Магнитных Явлений
|