Адсорбция водорода углеродными наноструктурами

УДК 538.945(06)+ 539.2(06) Сверхпроводимость и физика наноструктур
Е.И. МИШИН
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
АДСОРБЦИЯ ВОДОРОДА УГЛЕРОДНЫМИ НАНОСТРУКТУРАМИ
Изучено взаимодействие атома водорода с тремя различными углеродными
наноструктурами: фрагментом графитовой плоскости, фуллереном С60, нанотрубкой с хиральностью (5,0). Показано, что энергия адсорбции возрастает с увеличением локальной кривизны поверхности адсорбции. Для графитовой плоскости и
нанотрубки энергетический барьер для атома водорода отсутствует.
Топливная ячейка водородных двигателей должна обладать следующими свойствами: большая емкость, безопасность, разумное время заполнения и извлечения водорода, работоспособность при условиях, близких к
нормальным. Традиционные способы хранения водорода (под высоким
давлением, в жидком состоянии, в виде гидридов металлов и другие) не
удовлетворяют указанным требованиям. Экспериментальные работы показывают принципиальную возможность хранения водорода с использованием углеродных структур. На сегодняшний день получено множество
результатов по адсорбции водорода углеродными наноструктурами при
различных давлениях, температурах, а также катализаторах. С другой
стороны, механизм взаимодействия водорода с фуллеренами, нанотрубками, различными модификациями графита остается до конца не изученным. Также остается непонятным, какая из перечисленных углеродных
систем лучше всего подходит для хранения
В предыдущей работе [1] для моделирования углеводородных систем
нами использовался потенциал сильной связи [2]. Оказалось, что данный
потенциал обладает рядом существенных недостатков: завышенная энергия связи молекулы С2, некорректное описание фрагмента графитовой
плоскости, энергия взаимодействия бесконечно удаленного атома водорода с углеродной нанотрубкой отлична от нуля. В данной работе использовался потенциал из работы [2] с измененными параметрами. Измененный
потенциал не обладает указанными недостатками и хорошо подходит для
моделирования адсорбции водорода углеродными структурами.
В данной работе изучалось взаимодействие атома водорода с тремя углеродными системами: фрагментом графитовой плоскости, углеродной
нанотрубкой (5,0), фуллереном С60. В качестве фрагмента графитовой
плоскости использовался кластер С100. Энергия связи кластера
Ев = 6.91 эВ/атом. Мы выбрали нанотрубку с хиральностью (5,0), закрыISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 4
169
УДК 538.945(06)+ 539.2(06) Сверхпроводимость и физика наноструктур
тую по краям половинами фуллерена С20. Длина нанотрубки составляет
L = 23Å. Энергия связи в нанотрубке Ев = 6.87 эВ/ атом. Для фуллерена
С60 расчетная энергия связи отлично согласуется с экспериментальным
значением и составляет 7.01 эВ/атом. Было исследовано три наиболее
симметричных расположения атома водорода: напротив атома углерода
(случай А), напротив центра связи С-С (случай В), напротив центра шестиугольника, образованного атомами углерода (случай С). Для всех систем фиксировалось расстояние между атомом водорода и поверхностью,
образованной его ближайшими соседями. Для графитовой плоскости также фиксировались граничные атомы. Далее система релаксировалась до
достижения полного минимума энергии. Отметим, что для всех трех углеродных систем релаксация сильно влияет только в случае А. Таким образом, были построены графики зависимости энергии взаимодействия
атома водорода с фуллереном С60, углеродной нанотрубкой и графитовой
плоскостью от расстояния до поверхности углеродной системы для случаев А, В и С.
В отличие от других работ во всех трех случаях А, В и С были получены минимумы энергии. Отметим также отсутствие барьера при адсорбции атома водорода графитовой плоскостью и углеродной нанотрубкой.
Приведем значения энергий адсорбции для случая А: 1.8 эВ, 2.14 эВ, 2.47
эВ для графитовой плоскости, фуллерена С60 и нанотрубки с хиральностью (5,0) соответственно. Видно, что энергия адсорбции возрастает с
увеличением локальной кривизны поверхности углеродной системы. Отметим также, что энергии, выделяемой при адсорбции нанотрубкой двух
атомов водорода, достаточно для разрыва молекулы Н 2. В настоящее время ведется работа по изучению зависимости энергии адсорбции водорода
от числа адсорбированных атомов водорода.
Работа поддержана фондом CRDF, проект “НОЦ фундаментальных
исследований материи в экстремальных состояниях”.
Список литературы
1. Маслов М.М., Мишин Е.И., Численное моделирование углеводородных систем.
//Науч.сессия МИФИ-2006: Сб. науч. тр.: В 16 т. М.: МИФИ, 2006. Т.4. С.179-180.
2. Zhao, J. P. Lu // Phys. Lett. 2003. V.19. P. 523.
3. Jeloaica, V. Sidis // Chem. Phys. Lett. 1999. V.300. P.157.
4. Sha, B. Jackson // Surf. Sci. 2002. V. 496. P. 318.
5. Seifert, J. Schulte // Phys. Lett. A. 1994. V.1888. P.365.
170
ISBN 5-7262-0710-6. НАУЧНАЯ СЕССИЯ МИФИ-2007. Том 4