Введение к работе
Актуальность темы. Исследования различных аспектов адсорбции, хранения и десорбции водорода привлекают внимание многих ученых, в том числе и с целью создания безопасного аккумулятора для хранения водорода Улучшение безопасности и повышение уровня массового содержания водорода в адсорбентах являются главными целями для широкого внедрения водорода в качестве нового топлива
С недавнего времени считается, что частицы, обладающие наноразмерными характеристиками, являются перспективными адсорбентами Исследования осуществляются над плоскими, шарообразными и трубчатыми наночастицами В настоящее время, подавляющее число теоретических и экспериментальных работ по исследованию свойств наноструктур по адсорбции водорода проведено на углеродных нанотрубках Lee S et al, моделируя взаимодействия системы различных нанотрубок при температуре 77 К и давлении 15МПа, получили Wt=6 88 % (здесь и далее Wt - массовое содержание водорода) Результат Ye Y et al для системы нанотрубок при температуре 80 К и давлении 10 МПа составляет WtF=8 25 % При температуре 77 К и давлении 5 МПа Wang Q и Johnson К в результате моделирования получили Wt=5 % для системы нанотрубок Zuttel А et al опытным путем получили Wt=5,5 % Wang Q и Johnson К выполнили моделирование пространственного расположения нанотрубок с целью получения наилучшей структуры для повышения количества хранимого водорода Показано, что расстояние между нанотрубками в большой степени влияет на количество адсорбированного водорода, которое достигает максимального значения, когда влияние соседних нанотрубок мало, и адсорбцию водорода можно рассматривать как на одну изолированную нанотрубку
Следует отметить, что нанотрубки являются производными фуллеренов, адсорбционные свойства которых изучены слабо Наряду с обычными фуллерена-ми существуют дефектные фуллерены, оболочки которых раскрыты, и внутреннее пространство пригодно для адсорбции молекул водорода Такие структуры способны составить конкуренцию нанотрубкам вследствие существования двусторонней адсорбции
Достаточно большая разница в показателях адсорбированного водорода при комнатной температуре и температуре кипения азота, а также при высоком давлении и нормальном, наводит на мысль о том, что для эффективного хранения водорода в нанотрубках необходимо использовать дополнительные наноструктуры для закрытия нанотрубок Подобные наносистемы - нанокапсулы являются новыми, неисследованными для целей хранения водорода и работе в цикле адсорбция, хранение и десорбция водорода Численное исследование механизма работы нанокапсул, определение предельных термодинамических параметров, при которых возможно осуществление рабочего цикла, являются актуальными задачами
Создание проблемно-ориентированного программного комплекса для проведения численного эксперимента с использование средств современной вычислительной техники, раскрывающего параметры процессов адсорбции, хранения и десорбции водорода наноструктурами, является актуальной задачей
Объектом исследования являются процессы адсорбции, хранения и десорбции молекул водорода статическими наноструктурами - фуллеренами и дефектными фуллеренами, а также динамическими наноструктурами - нанокапсу-лами, математическая модель адсорбции, хранения и десорбции водорода наноструктурами
Предметом исследования являются методика численного решения уравнений молекулярной динамики, программно-инструментальные средства моделирования процессов адсорбции, хранения и десорбции водорода наноструктурами, численные алгоритмы расчета процессов адсорбции, хранения и десорбции
Цель работы состоит в получении научно-обоснованных решений, направленных на разработку теоретических и методических положений для исследования параметров адсорбции, хранения и десорбции водорода наноструктурами, что обеспечит использование обоснованных рекомендаций по улучшению адсорбционных характеристик аккумуляторов для хранения водорода
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи
- создание проблемно-ориентированного программного комплекса, позво
ляющего производить расчеты параметров адсорбции, хранения и десорбции во
дорода наноструктурами, а также осуществлять анализ полученных результатов,
-провести вычислительные эксперименты по моделированию адсорбции, хранению и десорбции водорода статическими наноструктурами фуллеренами и дефектными фуллеренов при различных термодинамических параметрах, определить температуру и давление, при которых адсорбция водорода проявляется наиболее сильно,
численно выявить динамику адсорбции, хранения и десорбции водорода фуллеренами и дефектными фуллеренами различного диаметра,
исследовать структуру динамических наноструктур нанокапсул, состоящих из нанотрубок и фуллеренов, определить энергетические параметры нанокапсул, возникающие при смене фаз адсорбции, хранения и десорбции водорода,
изучить степень влияния термодинамических параметров на структуру нанокапсул, определить параметры, при которых происходит десорбция водорода,
-численно исследовать характеристики нанокапсул, состоящие из нанот-рубки (10 10) и фуллерена Сбо, нанотрубки (10 10) и двух фуллеренов Ceo, нанот-рубки (15 15) и фуллерена С24о, по адсорбции, хранению и десорбции водорода при изменении термодинамических параметров, определить адсорбционные характеристики нанокапсул,
выявить величины напряженности электрического поля, необходимой для перемещения заряженных фуллеренов Qo5+ и Ст + в нанотрубке (10 10),
численно исследовать характеристики нанокапсул, состоящие из нанотрубки (10 10) и заряженного фуллерена С6о5+, нанотрубки (10 10) и заряженного фуллерена С805+ по адсорбции, хранению и десорбции водорода под действием электрического поля
Методы исследования В работе использованы методы математического моделирования, вычислительной математики и технологии объектно-ориентированного программирования Моделирование адсорбции водорода статическими и динамическими наноструктурами производилось методом молеку-
лярной динамики Интегрирование уравнений движения осуществлялось Leapfrog алгоритмом Верле Моделирование взаимодействий в системе наноструктур осуществлено в расчетной ячейке с периодическими граничными условиями Для удержания температуры на желаемом уровне в процессе расчетов выполнялось масштабирование скоростей атомов
Профаммнс—инструментальные средства реализованы с помощью сред визуального программирования Borland C++ Builder 6 и Borland Delphi 7
Достоверность научных положений и выводов обеспечена корректной математической постановкой задачи Проведенные тестовые расчеты показали хорошую согласованность полученных результатов с имеющимися экспериментальными данными (S Talyzm) и результатами моделирования (К Johnson и Q Wang)
Математические модели и алгоритмы, используемые в работе, основаны на положениях теории вероятности, численных методов, системного анализа, дифференциальных уравнений и молекулярной динамики
Задача моделирования адсорбции методом молекулярной динамики исследована на устойчивость, сходимость и точность
На защиту выносятся результаты решений по увеличению эффективности хранения водорода в аккумуляторах, основанных на наноструктурах, в том числе
математическая модель для решения задач адсорбции, хранения и десорбции водорода статическими и динамическими наноструктурами
проблемно-ориентированный программный комплекс для моделирования процессов адсорбции, хранения и десорбции молекул водорода статическими и динамическими наноструктурами, а также анализа полученных результатов
проведение вычислительного эксперимента по моделированию адсорбции, хранению и десорбции водорода статическими наноструктурами фуллеренами и дефектными фуллеренов при различных термодинамических параметрах и определение температуры и давления, при которых адсорбция водорода проявлялась наиболее сильно,
временные пределы по адсорбции и десорбции водорода фуллеренами и дефектными фуллеренами различного диаметра,
величины выявленных энергетических параметров нанокапсул, изменяющихся при смене фаз адсорбции, хранения и десорбции водорода,
зависимость влияния термодинамических параметров на структуру нанокапсул, значения температуры и давления наиболее выгодные для адсорбции, хранения и десорбции водорода,
адсорбционные характеристики нанокапсул, состоящие из нанотрубки (10 10) и фуллерена С6о, нанотрубки (10 10) и двух фуллеренов С60, нанотрубки (15 15) и фуллерена Сг4о>
величины напряженности электрического поля, необходимые для перемещения заряженных фуллеренов С605+ и С8о5+ в нанотрубке (10 10),
адсорбционные характеристики нанокапсул, состоящие из нанотрубки (10 10) и заряженного фуллерена Сбо5+, нанотрубки (10 10) и заряженного фуллерена С805+ по адсорбции, хранению и десорбции водорода под действием электрического поля,
- рекомендации по возможному использованию статических и динамиче
ских наноструктур для создания аккумулятора для хранения водорода
Научная новизна результатов диссертационного исследования, полученных лично автором, заключается в следующем
создан программный комплекс, позволяющий проводить молекулярно-динамическое моделирование адсорбции водорода статическими и динамическими наноструктурами при различных термодинамических параметрах и в присутствии электрических полей, а также производить анализ полученных расчетных данных,
определены изотермы и изобары адсорбции водорода фуллеренами, характеризующие влияние термодинамических параметров на процесс адсорбции, определена динамика адсорбции и десорбции водорода, а также проанализирована эффективность использования фуллеренов в качестве адсорбентов водорода,
выявлена динамика адсорбции, хранения и десорбции водорода дефектными фуллеренами, а также предельные массовые показатели по адсорбции водорода, выявлена разница в механизме заполнения внутреннего пространства дефектных фуллеренов с различными типами пор молекулами водорода,
предложены структуры нанокапсул, состоящие из нанотрубок и фуллеренов для хранения водорода, выявлено изменение потенциальной энергии при проникновении фуллерена в нанотрубку, определена величина капиллярных сил по поглощению фуллерена нанотрубкой,
выявлена динамика закрытия нанотрубок с адсорбированным водородом фуллеренами, вычислено изменение плотности водорода в процессе закрытия, определена температура выхода фуллеренов из нанотрубок,
вычислены величины электрических полей, необходимых для перемещения заряженных фуллеренов внутри нанотрубок при смене фаз адсорбции, хранения и десорбции водорода, показано, что изменение термодинамических параметров слабо влияют на параметры нанокапсул,
Практическая полезность исследования состоит в том, что оно связано с моделированием процессов адсорбции, хранения и десорбции водорода статическими и динамическими наноструктурами при помощи программного комплекса также осуществляющего интерпретацию полученных результатов При помощи компьютерного моделирования производятся точные расчеты свойств новых материалов для хранения водорода Ценность полученных решений заключается в получении результатов при моделировании адсорбции, хранения и десорбции молекул водорода отдельными наноструктурами и их образованиями, что является невозможным при опытном исследовании Полученные результаты являются новыми и дают представление об адсорбции, хранении и десорбции водорода статическими и динамическими наноструктурами Разработанные методики и программный комплекс позволяют моделировать процессы адсорбции, хранения и десорбции молекул водорода на поверхности наноструктур различных видов и детально исследовать особенности процессов в зависимости от термодинамических параметров и влияния электрического поля Работа выполнена в рамках госбюджетной научно-исследовательской темы государственный регистрацион-
ный номер 012006097787, осуществленной Институтом прикладной механики УрО РАН
Диссертационная работа выполнялась при поддержке комплексной программы фундаментальных исследований Президиума РАН № 26 «Водородная энергетика», гос контракт № 10002-251/П-26/117-383/290404-138, грантов молодых ученых и аспирантов УрО РАН 2005-2006гг и стипендии президента Удмуртской Республики 2006-2007гг
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы и отдельные ее части были представлены и доложены на следующих российских и международных конференциях Первый Всемирный Конгресс "Альтернативная энергетика и экология" - (2006), Вторая Российская конференция «Физические проблемы водородной энергетики» (Санкт-Петербург, - 2005), Третья Российская конференция «Физические проблемы водородной энергетики (Санкт-Петербург, - 2006), 14-я зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, - 2005), The International Conference on Carbon (Aberdeen, - 2006), Конференция "Математическое моделирование и краевые задачи" (Самара, - 2005), Третья Всероссийская научная молодежная конференция «Под знаком Сигма» (Омск, - 2005), 14-я всероссийская школа-конференция молодых ученых "Математическое моделирование в естественных науках" (Пермь, - 2005), Школа-семинар "Нанотехнологии и наноматериалы" -"КоМУ 2005" (Ижевск, - 2005), Конференция "ICOC" (Москва, - 2005), Первый Российский научный форум - "Демидовские чтения" (Екатеринбург, - 2006), Конференция "Теория управления и математическое моделирование" (Ижевск, -2006), Научная конференция молодых ученых - «Поздеевские чтения» (Пермь, -2006), Конференция "Материалы и технологии XXI века" (Пенза, - 2006), IV Международная научно-техническая конференция "Материалы и технологии XXI века" (Пермь, - 2006), VI конференция молодых ученых «КоМУ - 2006» (Ижевск, - 2006), Зимняя школа по механике сплошных сред (Пермь, - 2007), Nanoizh 2007 (Ижевск, - 2007)
Публикации. Основные научные результаты по теме диссертации опубликованы в 16 научных работах, из них 8 - статей, 8 материалов конференций и 3 научно-технических отчета, получен патент на изобретение Автор имеет 4 научных труда в изданиях, выпускаемых в РФ и рекомендуемых ВАКом для публикации основных результатов диссертации
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка цитируемой литературы Работа изложена на 131 странице, включая 79 рисунков Список литературы содержит 102 наименования
