مطالعه ی جذب و ذخیره سازی گاز طبیعی و هیدروژن توسط نانولوله های سیلیکونی، کربنی و سیلیکون کاربیدی از طریق شبیه سازی گرند کانونیکال مونت کارلو و مطالعه ی رسانش گرمایی و خواص انتقال گرما در نانونوارهای گرافنی از طریق شبیه سازی دینامیک مولکولی
چکیده
انرژی برای زندگی امری حیاتی است و برای تأمین نیازهای اولیه ی انسان از قبیل تهیه ی خوراک، سرپناه، گرمایش و حمل و نقل کاملاً ضروری است. امروزه جوامع پیشرفته برای هر فعالیتی به انرژی وابسته هستند. تا به امروز، سوخت های فسیلی منابع اصلی انرژی بوده اند ولی دو مشکل اصلی در استفاده از این منابع انرژی وجود دارد که عبارتند از: محدودیت در منابع سوخت های فسیلی و آلودگی های زیست محیطی ناشی از مصرف آن ها. هیدروژن و گاز طبیعی سال هاست که به عنوان منابع انرژی تجدید پذیر با میزان آلایندگی صفر یا کم مطرح هستند. در عین حال، مشکلاتی در مسیر استفاده از این منابع انرژی پاک وجود دارند که باید بر طرف شوند. یکی از این مشکلات، بحث مربوط به فقدان یک فناوری ایمن و کارامد برای ذخیره سازی این گازهاست. در سال های اخیر، جذب فیزیکی گازها با استفاده از مواد میکرو و نانومتخلخل توجه زیادی را به خود جلب کرده است زیرا این روش ایمن بوده و توانایی ذخیره سازی حجم زیادی از گاز را داراست. نانومواد به دلیل داشتن نسبت سطح به حجم بالا به طور جدی در فرایندهای جذبی به عنوان جاذب مورد توجه هستند. به طور ویژه، نانولوله ها به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند یکی از نامزدهای اصلی در فرایند جذب گازها هستند. این پایان نامه شامل دو بخش می باشد. اهداف بخش اول عبارتند از: مطالعه ی جذب و ذخیره سازی هیدروژن و گاز طبیعی روی بستر نانولوله های تک جداره ی سیلیکونی (swsints)، نانولوله های تک جداره ی کربنی (swcnts) و نانولوله های تک جداره ی سیلیکون کاربیدی (swsicnts) در آرایه ی مثلثی. روش مورد استفاده در این مطالعه، ترکیبی از محاسبات مکانیک کوانتومی ab initio و شبیه سازی مونت کارلو در انسامبل گرند کانونیکال (gcmc) است. دو گروه از نانولوله ها با پیکربندی صندلی در نظر گرفته شده اند. گروه اول شامل نانولوله های sint (12،12) ، cnt (19،19) و sicnt (15،15) در نظر گرفته شدند. گروه دوم نیز شامل نانولوله های sint(7،7)، cnt (11،11) و sicnt (9،9) بودند. قطر متوسط نانولوله های گروه اول و دوم به ترتیب 26 و ? 15 است. فاصله ی بین نانولوله ها، گاف واندروالسی (vdw)، در تمام آرایه های نانولوله ای ? 0/7 برای ذخیره سازی هیدروژن و ? 0/8 برای ذخیره سازی گاز طبیعی در نظر گرفته شده است. تمام محاسبات مکانیک کوانتومی در این کار با استفاده از بسته ی نرم افزاری gaussian 9 انجام شده است. از مدل خوشه ای برای انجام این محاسبات استفاده شد. برای این منظور یک صفحه ی گرافن مانند و منحنی شکل از سطح نانولوله ها، به عنوان مدل استفاده شد. انرژی برهم کنش کل در فواصل مختلف 5/2 تا ? 10 توسط روش mp2 محاسبه گردید. از یک مجموعه ی پایه ی بزرگ مانند 6–311++g(d,p) برای مولکول متان (هیدروژن) و نزدیک ترین شش اتم همسایه ی آن در مدل و از تابع پایه ی کوچک تر 3–21g(d) برای سایر اتم ها استفاده شد. تصحیح مربوط به خطای هم پوشانی مجموعه ی پایه (bsse) روی نتایج محاسبات کوانتومی ab initio اعمال گردید. شبیه سازی های gcmc در حالت های ترمودینامیکی مختلف و توسط بسته ی نرم افزاری music انجام شد. قدر مطلق انرژی پیوندی کل برای برهم کنش مولکول متان و مدل cnt (11،11) با اعمال bsse و بدون اعمال آن به ترتیب 2/8 و kj mol-1 5/33 است. این مقادیر برای برهم کنش متان و مدل sint (7،7) به ترتیب 4/6 و kj mol-1 9/41 می باشد. تصحیح bsse موجب کاهش 5/75 درصدی در انرژی پیوندی کل برای cnt (11،11) و 7/84 درصدی برای sint (7،7) شده است. نتایج مشابهی برای cnt (19،19) (کاهش 3/75 درصدی) و sint (12،12) (کاهش 6/84 درصدی) به دست آمد. هم دماهای جذب مطلق، اضافی و تحویلی مربوط به ذخیره سازی گاز متان روی دو گروه متفاوت از نانولوله ها با قطرهای مختلف محاسبه شدند. همچنین، مساحت سطح ویژه و گرمای جذب ایزواستریک به دست آمدند. داده های شبیه سازی روی سه مدل هم دمای متفاوت (لانگمویر، فرندلیچ و سیپس) برازش و پارامترهای هر مدل استخراج شدند. از میان سه نوع نانولوله ی مورد بررسی در این مطالعه، نانولوله های کربنی ظرفیت جذب بیش تری برای گاز طبیعی نسبت به دو نوع نانولوله ی دیگر نشان دادند. نتایج شبیه سازی نشان دادند که cnt (11،11) جاذب خوبی برای ذخیره سازی گاز طبیعی برای رسیدن به نقطه ی هدف us doe می باشد. در عین حال، نانولوله های sicnt (9،9)، sint (7،7) و cnt (19،19) به ترتیب قادرند به 95، 90 و 87 درصدی نقطه ی هدف us doe برسند. ظرفیت جذب وزنی برای نانولوله های گروه اول با قطر بزرگ تر بیش تر از نانولوله های متناظر در گروه دوم با قطر کوچک تر است در حالی که ظرفیت جذب حجمی برای نانولوله های گروه دوم بیش ترین مقدار را دارد. قدر مطلق انرژی پیوندی کل برای برهم کنش مولکول هیدروژن و مدل cnt (19،19) با در نظر گرفتن تصحیح bsse و بدون آن به ترتیب 52/3 و kj mol-1 57/13 می باشد. این مقادیر برای برهم کنش مولکول هیدروژن ومدل cnt (11،11) به ترتیب 51/3 و kj mol-1 21/13 است. انرژی پیوندی کل برای برهم کنش مولکول هیدروژن و مدل sint (12،12) با در نظر گرفتن تصحیح bsse و بدون آن به ترتیب 76/1 و kj mol-1 47/14 می باشد. این مقادیر برای برهم کنش مولکول هیدروژن ومدل sint (7،7) به ترتیب 71/1 و kj mol-1 6/13 است. این محاسبات نشان می دهد که تصحیح مربوط به bsse موجب کاهش 1/74، 4/73، 8/87 و 4/87 درصدی انرژی پیوندی کل برای برهم کنش مولکول هیدروژن به ترتیب با cnt (19،19)، cnt (11،11)، sint (12،12) و sint (7،7) می شود. هم دماهای جذب مطلق، اضافی و تحویلی مربوط به ذخیره سازی گاز هیدروژن روی دو گروه متفاوت از نانولوله ها با قطرهای مختلف محاسبه شدند. همچنین، گرمای جذب ایزواستریک به دست آمد. داده های شبیه سازی روی سه مدل هم دمای متفاوت (لانگمویر، فرندلیچ و سیپس) برازش شدند و پارامترهای هر مدل استخراج شدند. از میان سه نوع نانولوله ی مورد بررسی در این مطالعه، نانولوله های کربنی ظرفیت جذب مطلق و اضافی بیش تری در مقایسه با دو نوع نانولوله ی دیگر نشان دادند ولی در جذب تحویلی رتبه ی برتر متعلق به نانولوله های سیلیکون کاربیدی است. نتایج شبیه سازی نشان دادند که نقطه ی هدف us doe برای ذخیره سازی گاز هیدروژن، با استفاده از cnt (19،19) به عنوان جاذب، قابل دست یابی است. در عین حال cnt (11،11) قادر است به فاصله ی 5/92 درصدی نقطه ی هدف دست پیدا کند. ظرفیت جذب وزنی برای نانولوله های گروه اول با قطر بزرگ تر بیش تر از نانولوله های متناظر در گروه دوم با قطر کوچک تر است در حالی که ظرفیت جذب حجمی برای نانولوله های گروه دوم بیش ترین مقدار را دارد. در علم فیزیک، رسانش گرمایی یکی از مشخصه های مواد برای انتقال انرژی گرمایی از طریق سازوکار رسانش است. این مفهوم برای اولین بار در معادله ی فوریه برای انتقال گرما به کار گرفته شد. رسانش گرمایی پارامتر مهمی در بسیاری از کاربردهای فنی مانند علم مواد، طراحی ساختمان و زمینه های مربوط به آن، فضانوردی، سیستم تهویه ی مطبوع، پزشکی و مهندسی بافت، میکرو و نانوالکترونیک، مواد ترموالکتریک و مبدل های انرژی است. ترکیبات بر پایه ی کربن به دلیل خواص گرمایی منحصر به فردی که دارند از جایگاه ویژه ای برخوردار هستند. نانونوارهای گرافنی یکی از نانوموادی هستند که توجه بسیار زیادی را به عنوان یکی از مهم ترین عناصر کاربردی در وسایل نانوالکترونیک بر پایه ی کربن به خود جلب کرده اند. هدف بخش دوم این مطالعه ، استفاده از شبیه سازی دینامیک مولکولی تعادلی بر پایه ی روش گرین-کوبو برای بررسی فرایند انتقال گرما و محاسبه ی ضریب رسانش گرمایی نانونوارهای گرافنی در مقیاس اتمی است. تمام شبیه سازی های دینامیک مولکولی با استفاده از کد شبیه سازی lammps که توسط آزمایشگاه های ملی ساندیا برنامه نویسی شده انجام شده است. از پتانسیل بهینه شده ی ترساف به دلیل دقت بالای آن در تشریح قدرت پیوند و ناهماهنگی در ترکیبات کربنی استفاده شده است. از الگوریتم سرعتی ورلت برای انتگرال گیری از معادلات حرکت در شبیه سازی دینامیک مولکولی استفاده شد. از ترموستات و باروستات نوز-هوور برای کنترل دما و فشار در طول شبیه سازی استفاده شد. وابستگی دمایی رسانش گرمایی نانونوارهای گرافنی در گستره ی k 500-107 مورد بررسی قرار گرفته است. به دلیل بالا بودن دمای دبای نانونوارهای گرافنی (k 322)، نمیتوان از اثرات کوانتومی چشم پوشی کرد. بنابراین، تصحیحات کوانتومی برای دما روی نتایج شبیه سازی کلاسیکی اعمال گردید. برای بررسی وابستگی رسانش گرمایی به اندازه ی نانونوارهای گرافنی، یک سری از نانونوارهای گرافنی با پهنای nm 2 و طول nm 30-2 در دمای k 300 مورد مطالعه قرار گرفتند. یک معادله ی ریاضی برای محاسبه ی ظرفیت گرمایی نانونوارهای گرافنی به عنوان تابعی از دما ارائه شده است. زمان واهلش پراکندگی فونون ها، سرعت گروهی متوسط فونون ها و میانگین پویش آزاد فونون ها در دماهای مختلف محاسبه شده است. میزان مشارکت فونون های صوتی با فرکانس کم و فونون های نوری با فرکانس زیاد در رسانش گرمایی کل نانونوارهای گرافنی در دماهای مختلف محاسبه شده است. نتایج نشان داد که رسانش گرمایی به طور یکنواخت و متناسب با 52/1- t با افزایش دما کاهش پیدا می کند. تصحیحات کوانتومی دما موجب شد که در نمودار رسانش گرمایی بر حسب دما، یک مقدار بیشینه (w m-1 k-1 5500~) در k 130 مشاهده شود. میزان مشارکت فونون های نوری فرکانس بالا در رسانش گرمایی کل و در دماهای کم تر از k 400 قابل چشم پوشی است (0/2-3/0 درصد) ولی با افزایش دما میزان مشارکت فونون های نوری به صورت نمایی افزایش می یابد. نتایج نشان داد که رسانش گرمایی با افزایش طول نانونوارهای گرافنی کاهش یافته و در نهایت به عدد w m-1 k-1 1500~ میل می کند.