محققان ذخیره‌سازی هیدروژن در نانولوله‌های سیلیکون کاربید را شبیه‌سازی کردند

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، هیدروژن به‌عنوان سوخت، پتانسیل کاهش انتشار گاز‌های گلخانه‌ای را تا حدی که بتواند تغییرات آب و هوایی را کم کند، دارد. با این حال، کاربرد‌های صنعتی آن به دلیل مشکلات کنترل و ذخیره‌سازی متوقف شده است.

هیدروژن در دمای بسیار پایین (منفی ۲۵۲ درجه سانتی‌گراد) به گاز تبدیل می‌شود و ذخیره آن در دمای محیط مشکل است. تعامل بین هیدروژن و مواد ذخیره‌سازی آن بسیار ضعیف است تا بتوان آن را در دمای اتاق ذخیره‌سازی کرد. این امر باعث می‌شود طراحی مواد ذخیره‌سازی برای تحقق هدف تبدیل انرژی هیدروژن به استفاده روزمره حیاتی باشد.

در یک مطالعه جدید که در ACS Omega به چاپ رسیده است، محققان برای پیش‌بینی ذخیره هیدروژن، فرایندی جدید و بسیار دقیق ایجاد کردند.

کنتا هنگو، سرپرست این پروژه از موسسه پیشرفته علم و فناوری ژاپنب می‌گوید: «قابلیت اطمینان پیش‌بینی برای شبیه‌سازی‌ها می‌تواند به توسعه مواد برای ذخیره سوخت هیدروژن سرعت ببخشد و به محصولاتی کارآمدتر منجر شود.»

نیروی واندروالس یکی از نیرو‌های اصلی جاذبه بین اجسام است که تعامل بین مولکول‌ها یا اتم‌ها را با توجه به فاصله بین آن‌ها توصیف می‌کند. از آنجا که نیروی واندروالس نتیجه روش‌های کاملاً پیچیده کوانتومی است، روش‌های معمولی نمی‌توانند آن را به درستی تعریف کنند؛ از این رو، شبیه‌سازی‌ها تاکنون در سطح برآورد تقریبی عمل کرده‌اند.

اما آیا این کار هنگام تقلید از ذخیره‌سازی هیدروژن هم صادق است؟ این دغدغه اصلی هنگو و همکارانش بود.

آن‌ها به‌منظور یافتن راه حلی برای این سوال، نانولوله‌های سیلیکون-کاربید، یکی از مطلوب‌ترین مواد برای ذخیره هیدروژن را مورد تجزیه و تحلیل قرار دادند. آن‌ها با استفاده از یک روش محاسباتی به نام انتشار مونت کارلو (DMC)، مدلی را طراحی کردند که هنگام تقلید از ذخیره هیدروژن در نانولوله‌های سیلیکون-کاربید، نیرو‌های واندروالس را در نظر می‌گرفت.

اکثر مدل‌های رایح به برهم‌کنش بین نانولوله‌های سیلیکون-کاربید و هیدروژن به‌طور کلی می‌پردازند، اما روش انتشار مونت کارلو از قدرت ابرکامپیوتر برای بازسازی مکانیسم برهم‌کنش به‌صورت واقعی با پیروی از پیکربندی الکترون‌های جداگانه استفاده می‌کند. این مدل دقیق‌ترین روش پیش‌بینی تاکنون است.

با استفاده از مدل DMC، این تیم همچنین توانست تخمین بزند که چقدر انرژی برای حذف هیدروژن از سیستم ذخیره آن مورد نیاز است و هیدروژن در چه فاصله‌ای از سطح نانولوله سیلیکون-کاربید قرار دارد. آن‌ها سپس نتایج حاصل از مدل‌سازی خود را با نتایج به دست آمده از روش‌های پیش‌بینی معمولی مقایسه کردند.

روش‌های پیش‌بینی متداول معمولاً براساس روش‌های محاسباتی معروف به نظریه تابعی چگالی (DFT) است.

در حالی که تعدادی از مطالعات مبتنی بر DFT در مورد ذخیره هیدروژن روی نانولوله‌های سیلیکون-کاربید انجام شده است، هیچ یک از آن‌ها نیرو‌های واندروالس را در برآورد‌های خود اعمال نکرده‌اند. با این حال، عملکرد‌های DFT تصحیح شده توسط واندروالس در برآورد سایر مواد استفاده شده است.

هنگو و دیگر محققان، ذخیره هیدروژن را با استفاده از طیف وسیعی از عملکرد‌های FT، برخی با اصلاحات واندروالس و برخی بدون آن، تکرار کردند. آن‌ها دریافتند که عملکرد‌های DFT بدون تصحیح واندروالس، انرژی مورد نیاز برای ذخیره هیدروژن را بین ۴ تا ۱۴ درصد تخمین زده‌اند. برعکس، عملکرد‌های DFT تصحیح شده توسط واندروالس نتایج کاملاً مشابه نتایج DMC را ایجاد کرد.