بررسی تاثیرات دما و فشار بر مقدار جذب هیدروژن بر دسته نانولولههای کربنی به وسیله دینامیک مولکولی

نویسندگان

1 دانشیار، گروه مهندسی مکانیک، دانشگاه پیام نور، تهران، ایران

2 فارغ التحصیل کارشناسی ارشد، گروه مهندسی مکانیک، واحد لاهیجان، دانشگاه آزاد اسلامی، لاهیجان، ایران

چکیده

استفاده از سوخت هیدروژنی بهعنوان یکی از منابع جایگزین سوختهای فسیلی، اهمیت فراوانی دارد. در این میان، ذخیرهسازی هیدروژن یکی از چالشهای مهم و بزرگ استفاده از سوخت هیدروژنی است، بنابراین، جذب و ذخیرهسازی هیدروژن با نانولولههای کربنی اهمیت زیادی پیدا کرده است. جذب هیدروژن در نانولولههای کربنی بستگی به عوامل فیزیکی متفاوتی دارد که از مهمترین آن ها دما و فشار است. هدف ازاین پژوهش، مطالعه تاثیرات دما و فشار بر مقدار جذب هیدروژن بر دسته نانولولههای کربنی است. در این پژوهش، با شبیهسازی دینامیک مولکولی، مقدار جذب هیدروژن بر یک دسته از نانولولههای کربنی بررسی شده و سپس، تغییرات فشار و دما مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان میدهد که مقدار جذب هیدروژن وابستگی زیادی به دما و فشار دارد به گونهای که در دماهای پایین مقدار جذب به شکل قابل توجه ای افزایش مییابد. از نتایج به دست آمده مشخص شد که در یک دسته نانولوله کربنی چهارتایی و در دماهای بین ۱۱0تا 2۱0کلوین مقدار جذب ثابت مانده ولی با کاهش دما از ۱۱0تا 50کلوین مقدار جذب به صورت خطی و با شیب قابل توجهای افزایش مییابد. همچنین، نتایج نشان میدهد که تغییرات فشار با دما به صورت خطی و از مرتبه اول است.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Study of temperature and pressure effects on the adsorption of hydrogen on carbon nanotubes bundle by molecular dynamics simulation

نویسندگان [English]

  • S. Asadi 1
  • A. Rahmani 2
چکیده [English]

The use of hydrogen fuel is of great importance as an alternative to fossil fuels. Storage of hydrogen is
one of the major challenges of using this fuel, so study of the absorption and storage of hydrogen by carbon nanotubes is essential. The absorption of hydrogen in carbon nanotubes depends on various physical factors, that the most important of these factors are temperature and pressure. The aim of this study was to evaluate the effects of temperature and pressure on the hydrogen adsorption of the nanotube bundle. In this study, the amount of hydrogen absorption on carbon nanotube bundle was studied by molecular dynamics simulation, and then analyzed pressure and temperature variations. Hydrogen adsorption simulations were carried out on a quad carbon nanotube bundle and in nine different  temperatures from 50 Kelvin to 200 Kelvin. The results show that hydrogen adsorption is highly dependent on temperature and pressure, so that the amount of adsorption increases significantly at low temperatures. It was found that the amount of adsorption was constant in a carbon nanotube bundle at temperatures range of 110 to 210 K, and was linear with increasing of temperature from 50 to 110 K. The results also show that the pressure variations are linear as first order with the temperature.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Carbon Nanotube Bundle
  • Hydrogen Adsorption
  • molecular dynamics
  • Simulation
[1] M. Dresselhaus, K. Williams, P. Eklund, "Hydrogen adsorption in carbon materials", MRS Bull., 24, 45-50, 1999.

[2] M. Shiraishi, T. Takenobu, H. Kataura, M. Ata, "Hydrogen adsorption and desorption in carbon nanotube systems and its mechanisms", Appl. Phys. A, 78, 947-953, 2004.

[3] N. Bouaziz, M. Ben Manaa, M. Bouzid, A. Ben Lamine, "Adsorption of hydrogen in defective carbon nanotube: modelling and consequent investigations using statistical physics formalism", Mol. Phys., 1-13, 2019.

[4] K.A. Williams, P.C. Eklund, "Monte Carlo simulations of H2 physisorption in finite-diameter carbon nanotube ropes", Chem. Phys. Lett., 320, 352-358, 2000.

[5] H. Panahi, S. Asadi, "Prediction of NanoDroplet Spreading on the Surface using the Multivariate Non-Linear Regression", Advanced Materials and New Coatings, 7, 1842-1837, 2018.

[6] H. Panahi, S. Asadi, "A New Model Selection Test with Application to the Censored Data of Carbon Nanotubes Coating", Progresss in Color, Colorants and Coatings, 9, 17-28, 2016.

[7] S. Asadi, "Simulation of Nanodroplet Impact on an Oblique Surface in Nano Coating Processes by Molecular Dynamics", Journal of Surface Science and Engineering, 13, 41-50, 2017.

[8] C. Liu, Y. Chen, C.Z. Wu, S.T. Xu, H.M. Cheng, "Hydrogen storage in carbon nanotubes revisited", Carbon, 48, 452-455, 2010.

[9] M. Li, X. Huang, Z. Kang, "Hydrogen adsorption and desorption with 3D silicon nanotube-network and film-network structures: Monte Carlo simulations", J. Appl. Phys., 118, 084303, 2015.

[10] M. Mananghaya, L.P. Belo, A. Beltran, "Adsorption of hydrogen in scandium/titanium decorated nitrogen doped carbon nanotube", Mater. Chem. Phys., 180, 357-363, 2016.

[11] M.R. Mananghaya, G.N. Santos, D. Yu, "Hydrogen adsorption of Ti-decorated boron nitride nanotube: a density functional based tight binding molecular dynamics study", Adsorption, 24, 683-690, 2018.

[12] M.T. Knippenberg, S.J. Stuart, H. Cheng, "Molecular dynamics simulations on hydrogen adsorption in finite single walled carbon nanotube bundles", J. Mol. Model., 14, 343-351, 2008.

[13] A. Satoh, Introduction to practice of molecular simulation : molecular dynamics, Monte Carlo, Brownian dynamics, Lattice Boltzmann, dissipative particle dynamics, Elsevier, Amsterdam ; Boston, 2011.
[14] M. Griebel, S. Knapek, G.W. Zumbusch, Numerical simulation in molecular dynamics : numerics, algorithms, parallelization, applications, Springer, Berlin, 2007.

[15] D.C. Rapaport, The art of molecular dynamics simulation, 2nd ed., Cambridge University Press, Cambridge, UK ; New York, NY, 2004.

[16] G. He, N. Hadjiconstantinou, "A molecular view of Tanner's law: molecular dynamics simulations of droplet spreading", J. Fluid Mech., 497, 123-132, 2003.
 [17] G. He, M.O. Robbins, "Simulations of the static friction due to adsorbed molecules", Physical Review B, 64, 035413, 2001.

[18] H. Fukumura, Molecular nano dynamics, Wiley-VCH, Weinham, 2009.

[19] A. Egorov, A. Komolkin, V. Chizhik, "Influence of temperature on the microstructure of the lithium-ion hydration shell. A molecular dynamics description", J. Mol. Liq., 89, 47-55, 2000.

[20] C.H. Turner, J.K. Brennan, J. Pikunic, K.E. Gubbins, "Simulation of chemical reaction equilibria and kinetics in heterogeneous carbon micropores", Appl. Surf. Sci. 196,366-374,2002.

[21] M.C. Mitchell, M. Gallo, T.M. Nenoff, "Computer simulations of adsorption and diffusion for binary mixtures of methane and hydrogen in titanosilicates", The Journal of chemical physics, 121, 1910-1916, 2004.

[22] M. Allen, D. Tildesley, "Computer Simulation of Liquids Oxford University Press Oxford", 1987.

[23] Y. Ye, C. Ahn, C. Witham, B. Fultz, J. Liu, A. Rinzler, D. Colbert, K. Smith, R. Smalley, "Hydrogen adsorption and cohesive energy ofsingle-walled carbon nanotubes", Appl. Phys. Lett., 74, 2307-2309, 1999.