Аннотация
Водород – высокоэффективный и экологически чистый энергоноситель. Основное препятствие для стационарного и мобильного использования водорода – отсутствие эффективных способов его хранения. Рассматривалась возможность хранения водорода в адсорбированном состоянии в углеродных нанотрубках при различных условиях.
Проведено молекулярно-динамическое моделирование процессов физической адсорбции водорода в массивах углеродных нанотрубок. Взаимодействия описывались потенциалом Леннарда–Джонса, квантовые эффекты не учитывались. Получены зависимости относительного массового содержания и средней плотности водорода в системе от давления и температуры. При низких температурах обнаружено образование второго слоя адсорбции, что приводит к повышенному содержанию запасенного водорода.
Расстояние между трубками в массиве варьировалось для нахождения оптимальной для адсорбции геометрии. Относительное массовое содержание и средняя плотность водорода в системе получены как функции зазора между трубками в пучке.
Материалы и результаты
Обнаружено, что при низких температурах и высоких давлениях образуется второй слой адсорбции, что значительно увеличивает количество адсорбированного водорода.
Предложена феноменологическая модель на основе идеального адсорбированного слоя Ленгмюра, которая позволяет получить корректные оценки для относительного массового содержания водорода в случае монослойной адсорбции.
Рассчитаны относительное массовое содержание и средняя плотность водорода в массиве углеродных нанотрубок в зависимости от температуры, давления и геометрии массива. Найдены оптимальные для адсорбции расстояния между трубками.
Получено, что даже при оптимальном расстоянии между трубками в массиве применение углеродных нанотрубок для хранения водорода при комнатной температуре нецелесообразно, а при низких температурах (Т=80К) их использование позволяет существенно повысить эффективность хранения водорода.
Пучок нанотрубок
Картина слоев адсорбции водорода в пучке углеродных нанотрубок
Эффективность использования нанотрубок для хранения водорода при Т=80К: 1 – при закрытом пучке (g=3.2A), 2 – при g=10А
Относительное массовое содержание (а) и плотность хранения водорода при T=298K в зависимости от зазора между трубками в массиве: 1 – при p=140атм, 2 – при p=50атм, 3,4 – газообразный водород при p=140атм и p=50атм соответственно
Относительное массовое содержание (а) и плотность хранения водорода при T=80K, p=50атм в зависимости от зазора между трубками в массиве: 1 – в массиве нанотрубок, 2 – газообразный водород при тех же условиях
Публикации
- Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. Моделирование адсорбции водорода в углеродных нанотрубках // Изв. РАН. МЖГ. 2009. № 3. С. 160-164.
- Ковалев В.Л., Якунчиков А.Н. Анализ адсорбции водорода массивами углеродных нанотрубок // Изв. РАН. МЖГ. 2009. № 6. С. 157-160.
- V.Kovalev, A. Yankunchikov, F. Li, Simulation of hydrogen adsorption in carbon nanotube arrays // Acta Astronautica 68 (2011), pp. 681-685