Αποθήκευση αερίων σε πορώδη υλικά

Abstract

Η μελέτη της ρόφησης αερίων σε μικροπορώδεις και νανοπορώδεις άνθρακες αποτελεί αντικείμενο έρευνας αυξημένης σημασίας, εξαιτίας των υψηλού επιστημονικού και τεχνολογικού ενδιαφέροντος εφαρμογών. Περιβαλλοντικοί λόγοι συνιστούν την απομόνωση του διοξειδίου του άνθρακα από την ατμόσφαιρα και τη στροφή στα λεγόμενα ?καθαρά? καύσιμα. Παράλληλα οι ενεργειακές ανάγκες του αυξανόμενου πληθυσμού και των ολοένα αναπτυσσόμενων οικονομιών δε μπορούν να καλυφθούν από τα ενεργειακά αποθέματα. Το υδρογόνο αποτελεί μια ελπιδοφόρο λύση, ωστόσο για την γενίκευση της χρήσης του ως εναλλακτικού καυσίμου, πρέπει πρωτίστως να βρεθεί λύση στο πρόβλημα της ασφαλούς και αποτελεσματικής αποθήκευσης του. Οι νανοπορώδεις δομές γραφίτη, εξαιτίας της μεγάλης ειδικής επιφάνειας που διαθέτουν, δημιουργούν ισχυρά κέντρα ρόφησης που τις καθιστούν ιδανικό μέσο για την εκλεκτική αποθήκευση αερίων. Επιπλέον, η ύπαρξη ενός εκτενούς δικτύου πόρων ενισχύει την προσροφητική τους ικανότητα. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η προσομοίωση του φαινομένου της ρόφησης αερίων σε μοντέλα πόρων γραφίτη, βασιζόμενη στη στατιστική θερμοδυναμική και σε τεχνικές μοριακής προσομοίωσης, και ο χαρακτηρισμός της μικροδομής ανθρακικών υλικών μέσω ανάπτυξης και βελτίωσης μιας νέας μεθόδου προσδιορισμού κατανομής μεγέθους πόρων, που χρησιμοποιεί τα αποτελέσματα της προσομοίωσης. Κατασκευάστηκαν δύο μοντέλα πόρων γραφίτη (παράλληλες πλάκες / σχισμή, κύλινδρος) και υπολογίστηκε το δυναμικό πεδίο που αναπτύσσεται στο εσωτερικό τους. Εν συνεχεία, κατασκευάστηκαν τα μοντέλα των αερίων και υπολογίστηκαν οι αλληλεπιδράσεις που δέχονται τα μόρια του αερίου μεταξύ τους και με το τοίχωμα. Εξετάστηκαν διαφορετικά μοντέλα της βιβλιογραφίας, τόσο για το υδρογόνο (σφαιρικό και επιμηκυμένο, κλασσική περιγραφή και κβαντική συνεισφορά), όσο και για το διοξείδιο του άνθρακα (Harris & Young και Murthy) και συγκρίθηκαν ως προς την επίδρασή τους στη συμπεριφορά των αερίων κατά την προσρόφηση στους πόρους άνθρακα. Η υπολογιστική προσομοίωση που ακολουθήθηκε για την πρόβλεψη της ρόφησης των αερίων βασίζεται στη μέθοδο Grand Canonical Monte Carlo (GCMC). Συγκεκριμένα, εξετάστηκε η προσροφητική ικανότητα του υδρογόνου στους 77 Κ και 298 Κ και του διοξειδίου του άνθρακα στους 253 Κ, 273 Κ και 298 Κ για εύρος πόρων 0.6 έως 3.0 nm και φάσμα πιέσεων ανάλογα με τη θερμοκρασία του πειράματος. Από τις ισόθερμες και ισοβαρείς καμπύλες προσρόφησης παρατηρείται η επίδραση της πίεσης, της θερμοκρασίας, του μεγέθους και της γεωμετρίας του πόρου, ενώ παράλληλα από τα διαγράμματα τοπικής πυκνότητας και γωνιακής διευθέτησης των μορίων αερίου αποκτάται μια στατιστική εικόνα του τρόπου που επιλέγουν τα μόρια του αερίου να καταλάβουν τις θέσεις στον κενό χώρο.