INVESTIGADORES
SIGAL Agustin
congresos y reuniones científicas
Título:
Dinámica Molecular de la adsorción de hidrógeno y oxígeno en grafito idealizado con diferentes tamaños de poros
Autor/es:
A. SIGAL; M. VILLARREAL; M.I. ROJAS; E.P.M. LEIVA
Lugar:
Carlos Paz
Reunión:
Congreso; 97a Reunión Nacional de Física de la Asociación Física Argentina; 2012
Institución organizadora:
Asociación Física Argentina
Resumen:
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.