Estudio teórico de la adsorción de hidrógeno sobre grafeno y nanotubos de carbono decorados con paladio

I LOPEZ CORRAL; E. GERMAN; M. VOLPE; G. BRIZUELA; A. JUAN

Santiago, Chile

Congreso; 8º Congreso Internacional de Metalurgia y Materiales CONAMET-SAM 2008; 2008

Sociedad Chilena de Materiales

Desde su descubrimiento en 1991, los nanotubos de carbono (CNT) han despertado gran interés en Ciencia de Materiales gracias a sus extraordinarias propiedades estructurales, electrónicas y mecánicas, las cuales permiten su aplicación en numerosos y diversos ámbitos. Una de las aplicaciones más prometedoras es la posibilidad de utilizar CNT para almacenar hidrógeno para su utilización en celdas de combustible a pequeña escala. Desafortunadamente, los estudios experimentales realizados desde hace varios años han originado muchas veces conclusiones controversiales, suscitando un continuo debate aún no resuelto. Los trabajos más recientes sugieren que es factible lograr el almacenamiento de hidrógeno con fines prácticos mediante CNT decorados con metales de transición, por ejemplo Pd. En este contexto, es de relevancia la necesidad de recurrir a métodos teóricos de modelado, de modo tal de comprender en detalle la influencia y alcance de este tipo de modificación en la interacción de los nanotubos con hidrógeno atómico o molecular.En el presente trabajo se estudió la adsorción de hidrógeno en nanotubos de carbono de capa simple (SWCNT) dopados con átomos de Pd, empleando métodos semiempíricos y de funcional densidad (DFT). Como aproximación preliminar al sistema se recurrió a una lámina de grafeno, modelada mediante un cluster de 190 átomos de C en un arreglo hexagonal, sobre el que se dispuso un único átomo de Pd en diferentes sitios de adsorción. Luego se emplearon clusters C190 para simular dos SWCNT de diferente tipo: el SWCNT zigzag de quiralidad (10,0) y el SWCNT armchair de quiralidad (5,5), decorados ambos en forma similar al grafeno. Sobre estos modelos se realizaron procedimientos de optimización geométrica de los diferentes componentes del sistema, y luego se analizaron los cambios producidos durante el proceso de adsorción en la ocupación electrónica de enlaces y orbitales atómicos, para lo cual se evaluaron curvas de población de solapamiento de orbitales (COOP) y valores de población de solapamiento (OP). Los resultados obtenidos mediante las aproximaciones de grafeno y nanotubo son concordantes y demuestran que los SWCNT modificados con Pd poseen mayor capacidad para atrapar el hidrógeno que los SWCNT no dopados. La interacción puede darse en forma directa a través de los átomos de Pd, o por disociación previa para dar H atómico, cuya adsorción resulta notoriamente favorecida. Se describe así mediante métodos teóricos los mecanismos por los que los nanotubos decorados con Pd resultan aptos como sistemas de almacenamiento de hidrógeno, en concordancia con la evidencia experimental.