Компьютерное моделирование процессов сорбции бирадикалов водорода углеродными нанотубуленами

Компьютерное моделирование процессов сорбции бирадикалов водорода углеродными нанотубуленами

Автор: Маслова, Ольга Андреевна

Шифр специальности: 02.00.04

Научная степень: Кандидатская

Год защиты: 2010

Место защиты: Барнаул

Количество страниц: 121 с. ил.

Артикул: 4825366

Автор: Маслова, Ольга Андреевна

Стоимость: 250 руб.

Компьютерное моделирование процессов сорбции бирадикалов водорода углеродными нанотубуленами  Компьютерное моделирование процессов сорбции бирадикалов водорода углеродными нанотубуленами 

Введение.
Глава 1 Экспериментальные и теоретические исследования сорбции водорода углеродными нанотубуленами.
1.1 Проблемы достижения высокой эффективности сорбции водорода нанотубулярным углеродом
1.2 Экспериментальные аспекты изучения аккумулирования водорода однослойными углеродными нанотубуленами
1.2.1 Экспериментальные методы, используемые для измерения сорбционной емкости углеродных панотрубок.
1.2.2 Экспериментальные данные о малоэффективной сорбции водорода углеродными нанотубуленами.
1.2.3 Экспериментальные свидетельства достижения высокоемкой сорбции водорода нанотубулярным углеродом.
1.2.4 Экспериментальные свидетельства особого взаимодействия водорода с углеродом нанотубулена.
1.3 Теоретические аспекты изучения аккумулирования водорода однослойными углеродными нанотубуленами.
1.3.1 Теоретические методы, используемые для изучения сорбционной емкости углеродных нанотрубок.
1.3.2 Физсорбция как предполагаемый механизм взаимодействия водорода и углеродного нанотубулена.
1.3.3 Хемосорбция как предполагаемый механизм взаимодействия водорода и углеродного нанотубулена.
1.4 Резюме по литературному обзору
Глава 2 Теоретические аспекты и численное моделирование неравновесной сорбции бирадикалов водорода нанотубуленом
2.1 Определение фундаментальных связей и диссипативных процессов в квантовополевой химии
2.2 Бирадикальное активированное состояние димера водорода
2.3 Расчет параметров контактных обменных связей в водородном бирадикальном адсорбаге на поверхности углеродного нанотубулена
2.3.1 Описание метода нелокального функционала
плотности.
2.3.2 Вычисление средних параметров рсвязей димеров методом нелокального функционала плотности с помощью пакета программ КомпНаноТех.
2.4 Использование парного приближения в расчете энергетических параметров бирадикального адсорбата.
2.5. Основы моделирования нанодинамики водородного
адсорбата.
2.6. Модельное представление процесса сорбции водородных молекул нанотубулярным углеродом
Глава 3 Компьютерное моделирование процесса неравновесной самоорганизации сорбата бирадикалов водорода из начального регулярного состояния.
3.1 Моделирование регулярной самосборки исходной структуры водородного адсорбата на поверхностях нанотрубки
3.2 Результаты изучения процессов самоорганизации регулярных структур водородного адсорбата
3.3 Фемтосекундная кинетика процессов самоорганизации регулярных структур водородного адсорбата.
Глава 4 Компьютерное моделирование процесса неравновесной самоорганизации сорбата бирадикалов водорода из начального
хаотического состояния
4.1 Моделирование хаотической самосборки исходной структуры
водородного адсорбата на поверхностях нанотрубки.
4.2 Результаты изучения процессов самоорганизации хаотических структур водородного адсорбата
4.3 Фемтосекундная кинетика процессов самоорганизации хаотических структур водородного адсорбата
Заключение
Выводы.
Библиографический список.
ВВЕДЕНИЕ
Возрастающие требования к надежности современных хранилищ для эффективных энергоносителей обуславливают острую потребность в материалах, способных обеспечить широкий интервал условий эксплуатаций за счет наличия в подобных системах специфических химических и физических свойств. В связи с истощением запасов энергетических ресурсов сегодня все чаще в качестве идеального альтернативного энергоносителя рассматривается водород . Однако, переход на перспективную водородную энергетику не возможен без разработки наджных методов получения, транспортировки и хранения водорода в больших количествах. Причем, основные проблемы в развитии водородной энергетики сконцентрированы в области хранения и транспортировки данного вида энергоносителя 4, в то время как получение водорода это отчасти всетаки решнная задача, т. к. на сегодняшний день уже предложено достаточное количество эффективных, дешвых, безопасных и экологически чистых методов.
Выделяются две основные группы методов хранения водорода физические и химические 5. В основе первой лежат физические процессы в основном компрессирование или сжижение. Ко второй относятся методы, в которых хранение водорода обеспечивается физическими или химическими процессами его взаимодействия с некоторыми материалами. Именно последний способ считается наиболее перспективным. Хорошую перспективу в этом отношении открывают углеродные нанотубулены. Среди множества сорбирующих водород материалов углеродные нанотубулены, обладают одним из наиболее высоких сорбционных показателей. Об этом свидетельствуют многочисленные публикации последних лет.
Интенсивные исследования в этом направлении ведут практически все крупные научные центры развитых государств. Многие государства имеют национальные программы в этой области исследования, например в США
действует национальный проект на период до г. по развитию систем и материалов для компактного хранения водорода на борту автомобиля.
Указанная способность нанотрубок имеет большое практическое значение, так как открывает возможность безопасного хранения водорода с целью его дальнейшего использования в качестве экологически чистого топлива.
С момента своего первого получения наноуглеродные трубки остаются объектом постоянных научных исследований в различных областях знания, в том числе и в области водородной энергетики . Но для реальных экспериментов по данной проблематике требуется сложная и высокоточная аппаратура. Более того, кроме существенных материальных ресурсов еще необходимо и время. Поэтому, хотя количество экспериментальных работ, проведенных в лабораториях по всему миру, неуклонно растет, они не способствуют созданию целостной картины по пониманию данного вопроса. Решение этой проблемы только путем развития практических работ невозможно. Исправить данную ситуацию представляется возможным, если принимать во внимание не только прикладные работы, но и основательные теоретические проработки, раскрывающие фундаментальные аспекты и способствующие пониманию природы таких изучаемых процессов, т. е. раскрытию механизма. Для реализации таких теоретических исследований используют компьютерное моделирование, которое, являясь альтернативным методом исследования и базирующееся на методах и подходах квантовой химии, квантовой механики, а также на математическом аппарате и численных методах для описания и расчета свойств химических соединений позволяет ставить практически любые эксперименты на атомном уровне. ри этом такие предварительные работы по изучению возможности использования углеродных нанотубуленов в качестве накопительной среды для водорода позволяют в совокупности с экспериментальными работами оценить возможность существования эффективных нанотубулярных водородных аккумуляторов.
В данной работе на основании механизма бирадикальной сорбции водорода на внешних и внутренних поверхностях нанотубулярного углерода проведено исследование по возможности реализации аффективных аккумуляторов водорода. Представлены результаты расчта энергетических характеристик процессов самоорганизации бирадикального адсорбата, выявлены особенности влияния температуры, начального массового содержания и характера самосборки бирадикалов водорода на устойчивость адсорбата.
Актуальность


Например, исходя из всего множества экспериментов, пока нельзя дать однозначные ответы на два принципиальных вопроса могут ли УНТ быть эффективной обратимой накопительной средой, и какая мкость по водороду может быть при этом достигнута. Приемлемым считается обратимое при комнатной температуре накопление свыше 6 мае. Методами квантовой химии и молекулярной динамики было показано наличие только двух известных механизмов накопления водорода физической молекулярной и химической атомной сорбций водорода на поверхности нанотрубки. УНТ не имеют перспективы для получения эффективных аккумуляторов водорода. Тем не менее, эти механизмы равновесной сорбции водорода не позволяют объяснить причины достижения в ряде экспериментальных работ эффективной обратимой сорбции водорода в УНТ. При этом в ряде экспериментальных работ авторы отмечают, что эти цели могли быть достигнуты в результате использования структурной иили химической модификации углеродных наноструктур УНТ, в других работах, напротив, предполагается, что это эффект активирования водорода под действием катализаторов. Общим для всех является мнение, что получение на базе системы УНТ эффективных обратимых накопителей водорода должно обеспечиваться достижением аномальных значений кДжмоль энергии сорбции водорода наноуглеродом . Такие энергии являются промежуточными по отношению к значениям энергии связей в случаях химического и физического взаимодействия атомов и молекул водорода с углеродом, а механизмы такого промежуточного типа взаимодействия остаются неизученными. В дайной диссертационной работе вышеуказанная проблема решается с использованием идеи, что достижение в одностенных нанотрубках углерода обратимого при комнатной температуре накопления свыше 6 мае. УНТ принимают участие не молекулы НН или атомы И, а неравновесные активированные бирадикалы НН водорода. В теоретических работах было показано, что промежуточные формы бирадикалов водорода возникают в активных центрах переходных металлов катализаторов. Взаимодействие с эболектронной подсистемой атомов переходного металла в активном центре нарушает спиновую симметрию электронного состояния свободной молекулы водорода, переводя е в активированное состояние бирадикала. В силу этого бирадикал не описывается в рамках стандартных расчетных методов квантовой химии свободных молекул и остатся не учтенным в этих расчтах. В данной работе развитие данного подхода заключается в том, что в результате транспорта бирадикалов водорода из активных каталитических центров на углеродную матрицу происходит их консервация. Последнее является следствием появления у неравновесных активированных бирадикалов при взаимодействии с углеродом запрета по спину реакций их дезактивации в молекулы водорода или распада на атомарный водород. В результате этого система активированных бирадикалов на поверхности нанотрубок углерода за счт контактного обменного взаимодействия со стенками и между собой успевает переходить в неравновесные стационарные состояния суперадсорбата водорода с аномальными значениями кДжмоль энергии сорбции водорода наноуглеродом. В диссертационной работе методами компьютерного моделирования и аппроксимирующих функционалов электронной плотности проведено исследование процессов формирования адсорбатов бирадикалов водорода на внешних и внутренних поверхностях одностенных нанотрубок углерода малого диаметра. Работа выполнялась при поддержке грантов РФФИ 3 а и 0рсибирьа, программ федерального агентства но образованию Минобрнауки РФ . Целью работы является выявление механизма обратимой сорбции водорода на поверхностях углеродного нанотубулена и закономерностей влияния физикохимических условий на устойчивость адсорбата. ГК и комнатной Г3К температурах термостата. Достоверность полученных результатов базируется на физической обоснованности используемых в работе математических и компьютерных моделей, их логической взаимосвязанностью, корректностью параметров потенциалов, физической наглядностью и непротиворечивостью выводов и исходных положений критическим сравнением полученных результатов с данными экспериментальных исследований адсорбционной емкости нанотрубок углерода по водороду.

Рекомендуемые диссертации данного раздела

28.06.2016

+ 100 бесплатных диссертаций

Дорогие друзья, в раздел "Бесплатные диссертации" добавлено 100 новых диссертаций. Желаем новых научных ...

15.02.2015

Добавлено 41611 диссертаций РГБ

В каталог сайта http://new-disser.ru добавлено новые диссертации РГБ 2013-2014 года. Желаем новых научных ...


Все новости

Время генерации: 0.226, запросов: 121