Θεωρητική μελέτη προσρόφησης υδρογόνου σε νανοπορώδη υλικά
Authors: Στεργιαννάκος Ταξιάρχης 
Published: September 2021

Τα σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα τα οποία προκύπτουν από την καύση ορυκτών καυσίμων καθιστούν επιτακτική την ανάγκη να βρεθούν νέα, ανανεώσιμα και φιλικά προς το περιβάλλον καύσιμα. Ένα από τα επικρατέστερα καύσιμα για την αντικατάσταση των ορυκτών καυσίμων είναι το υδρογόνο του οποίου όμως η αποτελεσματική αποθήκευση έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη.Στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκε η αποθήκευση υδρογόνου σε νανοπορώδη υλικά. Η έρευνα εστιάστηκε στην αποθήκευση υδρογόνου σε πορώδη υλικά τύπου MOF, COF και ZIF τροποποιημένα με δισθενή μέταλλα. Επίσης σχεδιάστηκαν και μελετήθηκαν για αποθήκευση υδρογόνου καινοτόμα πορώδη υλικά με υποστυλωμένες δομές με βάση τα στοιχεία πυρίτιο – άνθρακα (SiC) και βορίου – αζώτου (BN). Επιπλέον μελετήθηκε η ικανότητα δέσμευσης μοριακού υδρογόνου σε υλικά SiC και BN εμπλουτισμένα με μέταλλα μετάπτωσης της τρίτης σειράς.Στο πρώτο μέρος της διατριβής αναφέρονται τα βασικά στοιχεία της Οικονομίας Υδρογόνου όπως βασικές μέθοδοι παραγωγής υδρογόνου, τρόποι διανομής του, κύριοι τύποι κυψελών καυσίμου και τέλος οι κυριότεροι τρόποι αποθήκευσης υδρογόνου. Η παρούσα μελέτη εστιάζει στην αποθήκευση υδρογόνου με φυσιορόφηση σε πορώδη υλικά. Επιπλέον αναφέρονται οι βασικές κατηγορίες υλικών που μελετήθηκαν για αποθήκευση υδρογόνου.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής αναπτύσσεται με λεπτομέρεια η θεωρία και η μεθοδολογία που εφαρμόστηκε στην παρούσα εργασία.Στο τρίτο μέρος της διατριβής θα παρουσιαστούν και θα αναλυθούν τα αποτελέσματα της μελέτης αυτής. Θα συζητηθούν τα αποτελέσματα από τους υπολογισμούς με την μέθοδο από «πρώτες αρχές» DFT, με την οποία εξετάστηκε η ικανότητα των δισθενών μετάλλων Be Mg, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Ti, V και Zn να βελτιώσουν την αποθηκευτική ικανότητα των υλικών τύπου MOF, COF και ZIF τα οποία διαθέτουν οργανική γέφυρα διφαινύλια ή κατεχόλες σε υδρογόνο. Από τα αποτελέσματα βρέθηκε ότι η τροποποίηση αυτή βελτιώνει σημαντικά την ενέργεια αλληλεπίδρασης του μοριακού υδρογόνου σχεδόν με όλα τα μέταλλα που μελετήθηκαν. Στην συνέχεια σχεδιάστηκαν τροποποιημένες δομές των υλικών MOF-5, IRMOF-10, COF-102 και ZIF-68 με αλκόξυ ομάδες του μαγνησίου και μελετήθηκαν με προσομοιώσεις GCMC η αποθηκευτική ικανότητα σε υδρογόνο του IRMOF-10-Mg και IRMOF-10-2Mg. Οι προσομοιώσεις έδειξαν σημαντική αύξηση στην ογκομετρική και βαρυμετρική προσρόφηση υδρογόνου κυρίως σε μικρές και μέτριες πιέσεις η οποία οφείλεται στην παρουσία της αλκόξυ ομάδας μαγνησίου.Επίσης στην μελέτη αυτή σχεδιάστηκαν καινοτόμα τρισδιάστατα νανοδομημένα υλικά βασισμένα στα στοιχεία πυρίτιο - άνθρακα (SiC) και βόριο – άζωτο (BN). Οι δομές αυτές είναι βασισμένες στην δομή του Pillared Graphene (PG) και αποτελούνται από φύλλα τύπου γραφενίου και νανοσωλήνες σχηματίζοντας τρισδιάστατα περιοδικά υλικά τα SiC-PG και BN-PG. Η σύνδεση μεταξύ των φύλλων και των νανοσωλήνων πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας κατάλληλους συνδυασμός πολυγώνων (τρία οκτάγωνα, έξι επτάγωνα, …) σύμφωνα με τον γενικευμένο κανόνα του Euler για πολύγωνα. Τα καινοτόμα αυτά υλικά εμφανίζουν εξαιρετικά ενδιαφέρουσες φυσικοχημικές ιδιότητες με ευέλικτα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Από θεωρητικούς υπολογισμούς βρέθηκε πως τα SiC και BN υλικά εμφανίζουν βελτιωμένες αποθηκευτικές ικανότητες σε υδρογόνο τα οποία οφείλονται στην ηλεκτροστατική τους φύση. Τα δομικά και ηλεκτρονιακά χαρακτηριστικά των υλικών αυτών καθώς και η αλληλεπίδραση τους με μοριακό υδρογόνο μελετήθηκαν με τη χρήση των θεωριών DFT (Density Functional Theory) και DFTB (Density Functional based Tight Binding). Τέλος, εξετάστηκε με κβαντομηχανικές μεθόδους η αλληλεπίδραση υδρογόνου με υλικά SiC και BN εμπλουτισμένα με μέταλλα μετάπτωσης της τρίτης σειράς (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, και Zn) με τα αποτελέσματα να δείχνουν βελτίωση της ενέργειας αλληλεπίδρασης του μοριακού υδρογόνου με τα περισσότερα από τα μέταλλα μετάπτωσης σε σχέση με τα μη εμπλουτισμένα SiC και BN υλικά.