28 сентября 2021 года Рассмотрена Бетаном Дэвисом

]

Водородная энергия потенциально способна достичь нулевых чистых выбросов Организации Объединенных Наций; однако его промышленное применение застопорилось из-за трудностей с контролем и хранением.

Водород превращается в газ при очень низкой температуре (-252 ° C), что затрудняет его хранение при температуре окружающей среды. Взаимодействие между водородом и его накопителем слишком слабое, чтобы сохраняться при комнатной температуре. Это делает конструкцию материалов для хранения жизненно важной для достижения цели преобразования водородной энергии в повседневное использование.

Вычислительный дизайн материалов имеет решение. При создании водородной технологии можно сократить время и усилия, разработав материал на компьютере и имитируя его способность к хранению водорода. Тем не менее, прогнозы становятся очень ограниченными в их применении, если они не являются точными и не могут быть сделаны с разумными вычислительными затратами.

В новом исследовании, опубликованном в ACS Omega исследователи разработали дорогостоящий в вычислительном отношении, но очень точный новый процесс для прогнозирования накопления водорода.

Повышение надежности прогнозов для моделирования может помочь ускорить разработку материалов для хранения водородного топлива и привести к более энергоэффективному обществу .

Д-р. Кента Хонго, руководитель исследования, Японский передовой институт науки и технологий

Сила Ван-дер-Ваальса – одна из основных сил притяжения между объектами, которая описывает взаимодействие между молекулами или атомами в зависимости от расстояния между ними. Поскольку сила Ван-дер-Ваальса является результатом довольно сложных квантовых процедур, традиционные методы не могут определить ее должным образом, и, следовательно, моделирование до сих пор находится на уровне приблизительных оценок

.

Тем не менее, правильно ли это делать, имитируя хранение водорода? Это было главной заботой доктора Хонго и его команды.

Чтобы найти решение этого вопроса, они проанализировали нанотрубки из карбида кремния, один из наиболее подходящих материалов для хранения водорода. Используя вычислительный метод, называемый диффузионным Монте-Карло (DMC), они разработали модель, которая учитывала силы Ван-дер-Ваальса при имитации хранения водорода в нанотрубках из карбида кремния.

Большинство традиционных моделей рассматривают взаимодействие между нанотрубками карбида кремния и водородом в целом, но метод DMC использует мощность суперкомпьютера для реалистичного восстановления механизма взаимодействия, отслеживая конфигурацию отдельных электронов. Это делает модель DMC наиболее точным подходом к прогнозированию на сегодняшний день.

Используя модель DMC, команда также смогла оценить, сколько энергии потребуется для удаления водорода из хранилища и на каком расстоянии водород должен находиться от поверхности нанотрубки из карбида кремния. Затем они сравнили результаты своего моделирования с результатами, полученными с помощью традиционных подходов к прогнозированию.

Традиционные подходы к прогнозированию обычно основаны на вычислительных методах, известных как теория функционала плотности (DFT). DFT использует функционалы, которые представляют собой модельные описания квантовых взаимодействий, которые определяют пространственные различия электронной плотности, чтобы установить свойства сложных систем.

Хотя был проведен ряд основанных на DFT исследований по хранению водорода на нанотрубках из карбида кремния, ни одно из них не включило силы Ван-дер-Ваальса в свои оценки. Функционалы ДПФ с поправкой Ван-дер-Ваальса, однако, использовались при оценке других материалов.

Д-р. Хонго и другие исследователи воспроизвели хранение водорода, используя широкий спектр функционалов DFT, некоторые с поправками Ван-дер-Ваальса, а некоторые без. Они обнаружили, что функционалы DFT без поправок Ван-дер-Ваальса ошибочно оценили энергию, необходимую для хранения водорода, на 4–14%.

И наоборот, функционалы DFT с поправкой Ван-дер-Ваальса дали результаты, довольно похожие на результаты DMC. Более того, они узнали, что влияние силы Ван-дер-Ваальса на запасенную энергию составляет около 9–29%, что вряд ли не имеет значения

.

Эти открытия, по мнению доктора Хонго, могут проложить путь для дальнейшей модернизации технологии моделирования хранения водорода.

Хотя метод DMC требует больших вычислительных ресурсов, его можно использовать для выяснения особенностей (тенденций ошибки предсказания) каждого метода предсказания. Это поможет нам понять, какому прогнозу следует доверять, а также как изменить методы прогнозирования, чтобы сделать их более полезными .

Д-р. Кента Хонго, руководитель исследования, Японский передовой институт науки и технологий

С подобными надежными расчетами, подобными этой, чтобы ускорить его развитие, вскоре можно увидеть, как водородная технология становится повседневной реальностью.

Ссылка на журнал:

Prayogo, G. I., и др. . (2021) Важность ван-дер-ваальсовых взаимодействий в адсорбции водорода на нанотрубке из карбида кремния, пересмотренная с помощью vdW-DFT и квантового Монте-Карло. САУ Омега . doi.org/10.1021/acsomega.1c03318.

Источник: https://www.jaist.ac.jp/english/[19459007visible