محققان ذخیره سازی هیدروژن در نانولوله های سیلیکون کاربید را شبیه سازی کردند - وبلاگ پتول

به گزارش وبلاگ پتول، محققان کارایی ذخیره سازی هیدروژن در نانولوله های سیلیکون کاربید را شبیه سازی کردند این روش دقت بالاتری نسبت به روش های پیشین دارد.

به گزارش گروه دانشگاه وبلاگ پتول، هیدروژن به اسم سوخت، پتانسیل کاهش انتشار گاز های گلخانه ای را تا حدی که بتواند تغییرات آب و هوایی را کم کند، دارد. با این حال، کاربرد های صنعتی آن به علت مسائل کنترل و ذخیره سازی متوقف شده است.

هیدروژن در دمای بسیار پایین (منفی 252 درجه سانتی گراد) به گاز تبدیل می گردد و ذخیره آن در دمای محیط مشکل است. تعامل بین هیدروژن و مواد ذخیره سازی آن بسیار ضعیف است تا بتوان آن را در دمای اتاق ذخیره سازی کرد. این امر باعث می گردد طراحی مواد ذخیره سازی برای تحقق هدف تبدیل انرژی هیدروژن به استفاده روزمره حیاتی باشد.

در یک مطالعه تازه که در ACS Omega به چاپ رسیده است، محققان برای پیش بینی ذخیره هیدروژن، فرایندی تازه و بسیار دقیق ایجاد کردند.

کنتا هنگو، سرپرست این پروژه از موسسه پیشرفته علم و فناوری ژاپنب می گوید: قابلیت اطمینان پیش بینی برای شبیه سازی ها می تواند به توسعه مواد برای ذخیره سوخت هیدروژن سرعت ببخشد و به محصولاتی کارآمدتر منجر گردد.

نیروی واندروالس یکی از نیرو های اصلی جاذبه بین اجسام است که تعامل بین مولکول ها یا اتم ها را با توجه به فاصله بین آن ها توصیف می نماید. از آنجا که نیروی واندروالس نتیجه روش های کاملاً پیچیده کوانتومی است، روش های معمولی نمی توانند آن را به درستی تعریف نمایند؛ از این رو، شبیه سازی ها تا به امروز در سطح برآورد تقریبی عمل نموده اند.

اما آیا این کار هنگام تقلید از ذخیره سازی هیدروژن هم صادق است؟ این دغدغه اصلی هنگو و همکارانش بود.

آن ها به منظور یافتن راه حلی برای این سوال، نانولوله های سیلیکون-کاربید، یکی از مطلوب ترین مواد برای ذخیره هیدروژن را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. آن ها با استفاده از یک روش محاسباتی به نام انتشار مونت کارلو (DMC)، مدلی را طراحی کردند که هنگام تقلید از ذخیره هیدروژن در نانولوله های سیلیکون-کاربید، نیرو های واندروالس را در نظر می گرفت.

بیشتر مدل های رایح به برهم کنش بین نانولوله های سیلیکون-کاربید و هیدروژن به طور کلی می پردازند، اما روش انتشار مونت کارلو از قدرت ابرکامپیوتر برای بازسازی مکانیسم برهم کنش به صورت واقعی با پیروی از پیکربندی الکترون های جداگانه استفاده می نماید. این مدل دقیق ترین روش پیش بینی تا به امروز است.

با استفاده از مدل DMC، این تیم بعلاوه توانست تخمین بزند که چقدر انرژی برای حذف هیدروژن از سیستم ذخیره آن مورد احتیاج است و هیدروژن در چه فاصله ای از سطح نانولوله سیلیکون-کاربید واقع شده است. آن ها سپس نتایج حاصل از مدل سازی خود را با نتایج به دست آمده از روش های پیش بینی معمولی مقایسه کردند.

روش های پیش بینی متداول معمولاً براساس روش های محاسباتی معروف به نظریه تابعی چگالی (DFT) است.

در حالی که تعدادی از مطالعات مبتنی بر DFT در خصوص ذخیره هیدروژن روی نانولوله های سیلیکون-کاربید صورت گرفته است، هیچ یک از آن ها نیرو های واندروالس را در برآورد های خود اعمال ننموده اند. با این حال، عملکرد های DFT تصحیح شده به وسیله واندروالس در برآورد سایر مواد استفاده شده است.

هنگو و دیگر محققان، ذخیره هیدروژن را با استفاده از طیف وسیعی از عملکرد های FT، بعضی با اصلاحات واندروالس و بعضی بدون آن، تکرار کردند. آن ها دریافتند که عملکرد های DFT بدون تصحیح واندروالس، انرژی مورد احتیاج برای ذخیره هیدروژن را بین 4 تا 14 درصد تخمین زده اند. برعکس، عملکرد های DFT تصحیح شده به وسیله واندروالس نتایج کاملاً مشابه نتایج DMC را ایجاد کرد.