xxiii πανελληνιο ÏƒÏ Î½ÎµÎ´ÏÎ¹Î¿ Ï†Ï ÏƒÎ¹ÎºÎ·Ï‚ στερεας καταστασης & επιστημης ...

Θεωρητική Μελέτη Αποθήκευσης Υδρογόνου στα Υπερ-Νανοπορώδη Υλικά της
Οικογένειας IRMOF.
Κλώντζας Εμμανουήλ. Φρουδάκης E. Γεώργιος * ,
Τμήμα Χημείας, Σχολή Θετικών Επιστημών, Πανεπιστήμιο Κρήτης, Τ.Θ. 2208, 71003 Βούτες, Ηράκλειο Κρήτης.
*frudakis@chemistry.uoc.gr
Η χρήση του Υδρογόνου ως εναλακτική πηγή ενέργειας έχει ελκύσει το ενδιαφέρον τόσο της
επιστημονικής κοινότητας όσο και της ανθρώπινης κοινωνίας. Κι αυτό γιατί αυτή η πηγή
ενέργειας χαρακτηρίζεται από πλεονεκτήματα όπως φιλικότητα προς το περιβάλλον,
οικονομία και ανεξαρτησία στην παραγωγή του. Στην προσπάθεια που γίνεται για τη
χρησιμοποίηση του Υδρογόνου σε καθημέρινες δραστηριότητες, ένα από τα σημαντικά
προβλήματα που έχουν ανακύψει είναι και η αποθήκευση του με ασφάλεια σε κατάλληλες
αποθηκευτικές δεξαμενές. Σημαντικές προσπάθειες έχουν γίνει για την εύρεση κατάλληλων
υλικών, των οποίων η χρήση εντός κάποιας συμβατικής δεξαμενής, θα εξασφάλιζε την
δραστική αύξηση των ποσών του αερίου που θα μπορούσαν να αποθηκευτούν σε ήπιες
συνθήκες.
Το Υδρογόνο είναι δυνατόν να προσροφήθει σε κάποιο υλικό με δυο τρόπους, με
φυσιορόφηση ή με χημειορόφηση. Στην πρώτη περίπτωση, η διαδικασία προσρόφησης και
εκρόφησης πραγματοποιείται χωρίς την ύπαρξη ενεργειακών φραγμάτων. Χαρακτηριστικά
υλικά της πρώτης κατηγορίας είναι τα μικρο-νανοπορώδη υλικά, όπως οι Ζεόλιθοι[1] και οι
νανοσωλήνες[2][3], ενώ της δεύτερης τα μεταλλικά και χημικά Υδρίδια[4]. Μετρήσεις
αποθήκευσης Υδρογόνου σε διαφορους τύπους Ζεόλιθων και υλικών με βάση των Άνθρακα
έδειξαν ότι δεν είναι ικάνα να αποθηκεύσουν ικάνες ποσότητες αερίου (σύμφωνα με τους
στόχους που έχουν προκαθοριστεί από το Τμήμα Ενέργειας των Ηνωμένων Πολιτειών
(DOE)[5]. Τα τελευταία χρόνια εμφανίστηκε μια νέα κατηγορία μικροπορωδών υλικών που
δημιουργούνται από τη συναρμογή μετάλλων και οργανικών μορίων. Τα υλικά αυτά είναι
ευρύτερα γνωστά σαν Isorecticlular Metal-Organic Frameworks (IRMOF’s)[6][7] και
εμφανίζουν μια σειρά από επιθυμητές ιδιότητες, όπως μεγάλη ειδική επιφάνεια, θερμική
σταθερότητα, ρυθμιζόμενες διαστάσεις πόρων και ανοιγμάτων. Ο σκελετός τους αποτελείται
από δομικές μονάδες Zn 4 O που γεφυρώνονται με κατάλληλα δικαρβοξυλικά οργανικά μόρια
και δημιουργείται ένα 3D δίκτυο πόρων. Το μέγεθος των πόρων μεταβάλλεται ανάλογα με το
μέγεθος των οργανικών μορίων, με αποτέλεσμα να έχει προκύψει μια ολόκληρη οικογένεια
αυτών των υλικών (IRMOF-1 έως IRMOF-20).
Λόγω των ιδιαίτερων ιδιοτήτων τους μελετήθηκαν για αποθήκευση Υδρογόνου, όπου
τα πρώτα αποτελέσματα ήταν πολύ ενθαρυντικά. Ο τρόπος αλληλεπίδρασης του Υδρογόνου
με τα υλικά αυτά δεν ήταν ξεκάθαρος και έτσι επιλέξαμε να μελετήσουμε την αλληλεπίδραση
του Υδρογόνου με το σκελετό των IRMOF με υπολογιστικές μεθόδους από πρώτες αρχές και
Θεωρίας Συναρτησιακού Πυκνότητας (DFT) . Λόγω του μεγέθους του μεγάλου αριθμού
ατόμων του σκελετού, επιλέξαμε να μελετήσουμε το σύστημα μας στηριζόμενοι στη μέθοδο
των συσσωματωμάτων. Επιλέξαμε να μελετήσουμε χωριστά την αλληλεπίδραση του
Υδρογόνου με τα διάφορα πιθανά κέντρα αλληλεπίδρασης στις δυο δομικές μονάδες. Ειδικά
για την Zn 4 O δομική μονάδα, υιοθετήσαμε διάφορα γεωμετρικά μοντέλα για να μελετήσουμε
τη μεταβολή της αλληλεπίδρασης του Υδρογόνου με τα διάφορα κέντρα αλληλεπίδρασης.
Για κάθε πιθανό κέντρο, συμπεριλάβαμε στη μελέτη μας δυο πιθανές γεωμετρίες
προσέγγισης του Υδρογόνου. Οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του
υπολογιστικού πακέτου TURBOMOLE[8].
Τα αποτελέσματα των υπολογισμών[9][10] έδειξαν ότι τα κέντρα αλληλεπίδρασης που
εντοπίζονται γύρω απο το Zn 4 O υπερτερούν σε ενέργεια δέσμευσης από αυτά των οργανικών
195