Dinámica Molecular de la adsorción de hidrógeno y oxígeno en grafito idealizado con diferentes tamaños de poros

AGUSTÍN SIGAL; MARCOS A. VILLARREAL; MARIANA ISABEL ROJAS; EZEQUIEL PEDRO MARCOS LEIVA

Carlos Paz

Congreso; 97º AFA; 2012

AFA

El hidrógeno es uno de los candidatos más promisorios como portador limpio de energías renovables, las cuales representan una proporción cada vez más creciente en la matriz energética mundial. Tiene la ventaja que presenta una densidad de energía tres veces más grande que la de los combustibles fósiles. Pero, previo a su utilización en celdas de combustibles de transporte, o simplemente en motores de combustión interna adaptados, es necesario resolver el problema de su almacenamiento de forma tecnológicamente eficiente y compacta, y económicamente viable. Esto representa la mayor dificultad para las aplicaciones móviles. Los materiales basados en carbono presentan varias ventajas para este fin, en relación al costo, el peso, la rápida cinética y reversibilidad en los ciclos de adsorción y desorción, y la estabilidad termodinámica. El problema reside en que las densidades volumétrica y gravimétrica que soportan estos sistemas, bajo condiciones normales de presión y temperatura, todavía no son satisfactorias. Por otro lado, algunos de nuestros trabajos previos demuestran que el oxígeno, aún a presiones cercanas al ultra alto vacío, resulta ser un importante interferente en la adsorción de hidrógeno, disminuyendo considerablemente la capacidad de almacenamiento del mismo sobre materiales carbonosos híbridos. Estos resultados nos obligan entonces a considerar un nuevo requerimiento para la síntesis de este tipo de materiales: la restricción del oxígeno y otros gases interferentes en el almacenador. En este trabajo, a través de cálculos de Dinámica Molecular implementados en el paquete GROMACS, evaluamos una opción interesante para los objetivos descriptos arriba. Estudiamos la optimización del tamaño de poros en un modelo de grafito idealizado, de tal manera de lograr el mejor compromiso posible entre la más alta capacidad de almacenamiento de hidrógeno y a su vez, la mayor restricción al acceso del oxígeno. Además, utilizando isotermas de Langmuir, realizamos un modelo simple de ciclación, para analizar la variación de la capacidad de almacenamiento en exceso en función del número de ciclos de carga y descarga que soporta nuestro sistema, cuando se introduce en el mismo una mezcla gaseosa de hidrógeno y oxígeno (hidrógeno con distintas purezas). Las isotermas de adsorción de hidrógeno en exceso simuladas muestran que el tamaño de poro óptimo para el almacenamiento se encuentra entre los 6.5 y 7.5 Å. A 300 bar de presión la capacidad de almacenamiento de H2 para el poro de 7.0 Å alcanza los 2.25%peso en exceso. Para separaciones menores a los 5.5 Å el hidrógeno no entra dentro de los poros de grafito. Además para los poros de 9.0 a 10.0 Å, sus curvas de adsorción son más pronunciadas que el resto a partir de los 150 bar, mientras que para presiones bajas sus pendientes son más pequeñas que las correspondientes a los poros pequeños. Esto se debe a la formación de una doble capa de adsorción entre las láminas de grafito, a partir de estos tamaños de poros. Para el caso de oxígeno ocurre una situación análoga a la del hidrógeno. Para los poros de grafito más pequeños simulados (poros de 6.5, 7.0 y 7.5 Å), las curvas de adsorción resultantes son más pronunciadas en la zona de presiones bajas, y saturan a los ~ 40 bar en menos del 30%peso en exceso de O2. En contraste, para los poros más grandes (de 10.0 a 14.0 Å) sus isotermas son las de menor pendiente en la zona de presiones bajas, y saturan a los ~ 60 bar en 35%peso en exceso de O2. Las curvas de adsorción para los poros de 8.0 y 9.0 Å corresponden a los poros de transición entre estas dos situaciones. La comparación entre estos grupos de curvas diferenciados se explica por la formación de una doble capa de adsorción de oxígeno entre las láminas de grafito, a partir de las separaciones de 8.0 y 9.0 Å. Y a partir de los poros de 13.0 y 14.0 Å, se empieza a observar la formación de una tercera capa de adsorción. Por ultimo, las curvas de adsorción de hidrógeno y oxígeno corresponidientes al caso óptimo (7.0 Å), fueron ajustadas con isotermas de Langmuir y utilizadas en un sencillo modelo de ciclación para distintas mezclas gaseosas de hidrógeno y oxígeno. Para una pureza de hidrógeno del 99,8%, se observa que a los 700 ciclos de carga y descarga el almacenador ya no es capaz de adsorber hidrógeno, debido a la contaminación progresiva del sistema con oxígeno.