Υδρογόνο σε νανοδομημένα υλικά με βάση τον άνθρακα
Authors: Μανιαδάκη Αριστέα 
Published: September 2021

Τα νανοδομημένα υλικά με βάση τον άνθρακα (Carbon-based Nanostructured Materials - CNMs)παρουσιάζουν θεμελιώδες ενδιαφέρον και είναι καλοί υποψήφιοι για πολυάριθμες εφαρμογές στην΄παραγωγή, αποθήκευση και χρήση του υδρογόνου σε εφαρμογές καθαρής ενέργειας. Εκτεταμένες έρευνες στους νανοσωλήνες άνθρακα, στα φουλερένια και στο γραφένιο έχουν βελτιώσει δραματικά τις γνώσεις μας σχετικά με τα υλικά αυτά. Ωστόσο, μια πληθώρα απο άλλα CNMs προσφέρουν ευκαιρίες για τεχνολογική πρόοδο ενώ ταυτόχρονα παρουσιάζουν επιστημονικές προκλήσεις.Υπάρχουν σημαντικές ενδείξεις οτι πολύπλοκες νανοδομές, νανοπορώδεις και άτακτες μορφές άνθρακα, με ή χωρίς άλλες χημικές υποκαταστάσεις, προσροφούν υδρογόνο πιο αποτελεσματικά. Δυσκολίες στον έλεγχο των συνθηκών σύνθεσης, στον χαρακτηρισμό, καθώς και η πολυπλοκότητα αυτών των υλικών, καθιστούν αναγκαία την λεπτομερή θεωρητική μελέτη τους.Μεταξύ αυτών των CNMs, η μεικτή φάση από άμορφο άνθρακα (a-C) με νανοκρυστάλλους διαμαντιού (n-D) είναι λιγότερη μελετημένη και χαρακτηρισμένη, με πολλές από τις ιδιότητές της να παραμένουν αδιερεύνητες. Πραγματοποιούμε ατομιστικές προσομοιώσεις με εμπειρικά δυναμικά προκειμένου να δημιουργήσουμε αρκετά δείγματα a-C - n-D με διαφορετικά μεγέθη n-D και διαφορετικές πυκνότητες aC, καθώς επίσης και δείγματα υπερ-νανοκρυσταλλικού διαμαντιού (UNCD) με διάφορα μεγέθη κόκκων.Αναλύουμε τη δομή, τη σταθερότητα και τις μηχανικες ιδότητες των νανο-σύνθετωναυτών υλικών και τα αποτελέσματά μας συγκρίνονται καλά με το πείραμα και προηγούμενες προσομοιώσεις. Επιπλέον, μελετάμε τις δυναμικές τους ιδιότητες και διαπιστώνουμε οτι κάποια έντονα χαρακτηριστικά των δονητικών τους φασμάτων μπορούν να παρατηρηθούν σε πειράματα. Τέλος, διερευνάται η επίδραση του υδρογόνου στις δομικές και μηχανικές ιδιότητες των υλικών αυτών.Διερευνούμε επίσης CNMs για προσρόφηση και εκρόφηση υδρογόνου. Πρόσφατες μελέτες έχουν δείξει ότι τα διχαλκογενίδια μεταβατικών μετάλλων (Transition Metal Dichalcogenides - TMDs) MX2 (M= Mo, W; X = S, Se, Te) είναι ανερχόμενοι υποψήφιοι για την αντικατάσταση του Pt ως καταλύτες στη διαδικασία διάσπασης του νερού. Εστιάζουμε στο μέρος αυτής της διαδικασίας που αφορά στην αντίδραση έκλυσης υδρογόνου (Hydrogen Evolution Reaction - HER) και στο πώς το υδρογόνο (Η) αλληλεπιδρά με τα TMDs. Συγκεκριμένα, εκτελούμε υπολογισμούς θεωρίας συναρτησιακού πυκνότητας (Density Functional Theory - DFT) για ελεύθερες νανοδομές MoS2 ή τοποθετημένες σε υπόστρωμα γραφενίου. Αυτές οι νανοδομές MoS2 καθώς και τα υβριδικά συστήματα MoS2/γραφενίου διερευνώνται για τη σταθερότητά τους. Οι υπολογισμοί μας σχετικά με τη προσρόφηση του H στα υβριδικά συστήματα MoS2/γραφενίου δείχνουν ότι η επίδραση του γραφενίου στη διαδικασία της προσρόφησης H σε νανοδομές MoS2 είναι αρκετά σημαντική.Η μηχανική παραμόρφωση (τάση) των υβριδικών συστημάτων MoS2/γραφενίου, η οποία είναι εγγενής λόγω της πλεγματικής αναντιστοιχίας, παίζει σημαντικό ρόλο στις ιδιότητές τους. Αυτό οδηγεί σε θεωρητική διερεύνηση των δομικών, ηλεκτρονικών και διηλεκτρικών ιδιοτήτων των μονοστρωματικών TMDs υπό διάφορα είδη παραμόρφωσης. Βρίσκουμε ότι τα ηλεκτρονικά ενεργειακά χάσματα μειώνονται ενώ η διηλεκτρική σταθερά αυξάνεται για μεγαλύτερα χαλκογενή. Τα άμεσα χάσματα των δομών ισορροπίας συχνά μετατρέπονται σε έμμεσα υπό την επίδραση κάποιων ειδών παραμόρφωσης. Αναλύονται επίσης οι επιδράσεις της παραμόρφωσης και η απώλεια συμμετρίας στην δομή των ενεργειακών ζωνών. Τα αποτελέσματα της DFT σχετικά με την επίδραση της παραμόρφωσης στις διηλεκτρικές ιδιότητες εξηγούνται θεωρητικά χρησιμοποιώντας μόνο δομικές παραμέτρους και τη διηλεκτρική σταθερά ισορροπίας.