Preview

Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология

Расширенный поиск

Квантово-химическое моделирование адсорбции водорода в порах: исследование методами DFT, SAPT0 и IGM

https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-3-363-372

Аннотация

Привлекательность водорода как универсального энергоносителя определяет значительный интерес к нему со стороны прикладной химии. Одной из центральных проблем, которую необходимо решить для перехода к водородной энергетике, является проблема его хранения. Физическая адсорбция водорода в порах – это практически важный и эффективный метод хранения водорода. Среди существующих адсорбирующих водород материалов углеродные наноструктуры обладают рядом преимуществ: высокой адсорбционной емкостью, значительной прочностью и низким весом. В данной работе с помощью современных методов квантовой химии (DFT, SAPT0, IGM) изучена адсорбция молекулярного водорода в ряде модельных щелевидных углеродных микропор с расстоянием между стенками d = 4–10 Å, включая введение молекулы H2 в пору, наполнение поры этими молекулами и изучение взаимодействий между молекулами H2 внутри поры. Установлено, что в зависимости от величины параметра d, адсорбированные молекулы водорода образуют один (d = 6, 7 Å) или два слоя (d = 8, 9, 10 Å) внутри поры. В то же самое время для пор с малым d наблюдались высокие потенциальные барьеры введения H2 в пору. Разложение энергии взаимодействия на компоненты показало, что дисперсионные взаимодействия дают основной вклад в энергию притяжения (72–82%), причем с увеличением числа молекул H2, адсорбированных в поре, их значимость снижается (вплоть до 61%), а вклад в межмолекулярное притяжение электростатических и индукционных взаимодействий растет. Также были определены значения гравиметрической плотности (GD) для пор с d = 6, 7, 8, 9, 10 Å, которые равны соответственно 1,98; 2,30; 2,93; 3,25; 4,49 вес.%. Предполагается, что особенности адсорбции водорода в порах, выявленные в этой работе, будут способствовать применению углеродных пористых структур как среды для хранения водорода.

Ключевые слова


Об авторе

И. К. Петрушенко
Иркутский национальный исследовательский технический университет
Россия

Игорь Константинович Петрушенко, к.х.н., заведующий лабораторией КПОЭМК

664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83



Список литературы

1. Staffell I., Scamman D., Velazquez Abad A., Balcombe P., Dodds P. E., Ekins P., et al. The role of hydrogen and fuel cells in the global energy system. Energy & Environmental Science. 2019;(12):463-491. https://doi.org/10.1039/c8ee01157e.

2. Glenk G., Reichelstein S. Reversible Power-to-Gas systems for energy conversion and storage. Nature Communications. 2022;(13):2010. https://doi.org/10.1038/s41467-022-29520-0.

3. Karki S., Chakraborty S. N. A Monte Carlo simulation study of hydrogen adsorption in slit-shaped pores. Microporous and Mesoporous Materials. 2021;317:110970. https://doi.org/10.1016/j.micromeso.2021.110970.

4. Modi P., Aguey-Zinsou K.-F. Room temperature metal hydrides for stationary and heat storage applications: a review. Frontiers in Energy Research. 2021;(9). https://doi.org/10.3389/fenrg.2021.616115.

5. Petrushenko I. K., Petrushenko K. B. DFT study of single-walled carbon hollows as media for hydrogen storage. Computational and Theoretical Chemistry. 2018;1140:80-85. https://doi.org/10.1016/j.comptc.2018.08.001.

6. Murray L. J., Dinca M., Long J. R. Hydrogen storage in metal-organic frameworks. Chemical Society Reviews. 2009;38:1294-1314. https://doi.org/10.1039/b802256a.

7. Petrushenko I. K., Petrushenko K. B. Adsorption of diatomic molecules on nitrogenated holey graphene: theoretical insights. Surfaces and Interfaces. 2021;27:101446. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101446.

8. Singla M., Jaggi N. Theoretical investigations of hydrogen gas sensing and storage capacity of graphene-based materials: a review. Sensors and Actuators A: Physical. 2021;332:113118. https://doi.org/10.1016/j.sna.2021.113118.

9. Petrushenko I. K. DFT calculations of hydrogen adsorption inside single-walled carbon nanotubes. Advances in Materials Science and Engineering. 2018;1-6. https://doi.org/10.1155/2018/9876015.

10. Petrushenko I. K., Petrushenko K. B. Physical adsorption of hydrogen molecules on single-walled carbon nanotubes and carbon-boron-nitrogen heteronanotubes: a comparative DFT study. Vacuum. 2019;167:280-286. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2019.06.021.

11. Petrushenko I. K., Petrushenko K. B. Hydrogen physisorption on nitrogen-doped graphene and graphene-like boron nitride-carbon heterostructures: a DFT study. Surfaces and Interfaces. 2019;17:100355. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2019.100355.

12. Tachikawa H., Iyama T. Mechanism of hydrogen storage in the graphene nanoflake-lithium-H 2 system. Journal of Physical Chemistry C. 2019;123(14):8709-8716. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b01152.

13. Tachikawa H. Hydrogen atom addition to the surface of graphene nanoflakes: a density functional theory study. Applied Surface Science. 2017;396:1335-1342. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2016.11.158.

14. Geim A. K., Novoselov K. S. The rise of graphene. Nature Materials. 2007;(6):183-191. https://doi.org/10.1038/nmat1849.

15. Züttel A., Sudan P., Mauron P., Kiyobayashi T., Emmenegger C., Schlapbach L. Hydrogen storage in carbon nanostructures. International Journal of Hydrogen Energy. 2002;27:203-212. https://doi.org/10.1016/s0360-3199(01)00108-2.

16. Wang F., Zhang T., Hou X., Zhang W., Tang S., Sun H., et al. Li-decorated porous graphene as a high-performance hydrogen storage material: a first-principles study. International Journal of Hydrogen Energy. 2017;42:10099-10108. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.01.121.

17. Wang L., Chen X., Du H., Yuan Y., Qu H., Zou M. First-principles investigation on hydrogen storage performance of Li, Na and K decorated borophene. Applied Surface Science. 2018;427:1030-1037. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.08.126.

18. Akilan R., Ravichandran D., Vinnarasi S., Shankar R. Adsorption of H 2 and CO 2 gas molecules on Li/Na decorated Si 2 BN nano-sheet for energy harvesting applications - a density functional study. Materials Letters. 2020;279:128487. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2020.128487.

19. Petrushenko I. K., Bettinger H. F. Hydrogen adsorption on inorganic benzenes decorated with alkali metal cations: theoretical study. Physical Chemistry Chemical Physics. 2021;23:5315-5324. https://doi.org/10.1039/d1cp00025j.

20. Tavhare P., Chaudhari A. Ti decorated heterocyclic rings for hydrogen storage. International Journal of Hydrogen Energy. 2022;47:3948-3960. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2021.11.031.

21. Kumar R., Suresh V. M., Maji T. K., Rao C. N. Porous graphene frameworks pillared by organic linkers with tunable surface area and gas storage properties. Chemical Communications. 2014;50:2015-2017. https://doi.org/10.1039/c3cc46907g.

22. Xia K., Xiong R., Chen Y., Liu D., Tian Q., Gao Q., et al. Tuning the pore structure and surface chemistry of porous graphene for CO 2 capture and H 2 storage. Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2021;622:126640. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2021.126640.

23. Wang Q., Johnson J. K. Hydrogen adsorption on graphite and in carbon slit pores from path integral simulations. Molecular Physics. 2009;95:299-309. https://doi.org/10.1080/00268979809483162.

24. Rzepka M., Lamp P., de la Casa-Lillo M. A. Physisorption of hydrogen on microporous carbon and carbon nanotubes. Journal of Physical Chemistry B. 1998;102:10894-10898. https://doi.org/10.1021/jp9829602.

25. Kowalczyk P., Tanaka H., Holyst R., Kaneko K., Ohmori T., Miyamoto J. Storage of hydrogen at 303 K in graphite slitlike pores from grand canonical Monte Carlo simulation. Journal of physical chemistry B. 2005;109:17174-17183. https://doi.org/10.1021/jp0529063.

26. Kowalczyk P., Gauden P. A., Terzyk A. P., Bhatia S. K. Thermodynamics of hydrogen adsorption in slit-like carbon nanopores at 77 K. Classical versus path-integral Monte Carlo simulations. Langmuir. 2007;23(7):3666-3672. https://doi.org/10.1021/la062572o.

27. Lefebvre C., Rubez G., Khartabil H., Boisson J.-C., Contreras-García J., Hénon E. Accurately extracting the signature of intermolecular interactions present in the NCI plot of the reduced density gradient versus electron density. Physical Chemistry Chemical Physics. 2017;19(27):17928-17936. https://doi.org/10.1039/c7cp02110k.

28. Lefebvre C., Khartabil H., Boisson J.-C., Contreras-García J., Piquemal J.-P., Hénon E. The Independent gradient model: a new approach for probing strong and weak interactions in molecules from wave function calculations. ChemPhysChem. 2018;19(6):724-735. https://doi.org/10.1002/cphc.201701325.

29. Petrushenko I. K., Tsar’kova A. I., Petrushenko K. B. Hydrogen adsorption on BN-embedded tetrabenzopentacene as a promising nanoflake for energy storage: theoretical insights. Diamond and Related Materials. 2020;108:107968. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2020.107968.

30. Tolmachev A. M., Firsov D. A., Kuznetsova T. A., Anuchin K. M. DFT modeling of the adsorption of benzene, methanol, and ethanol molecules in activated carbon nanopores. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2009;45:163-168. https://doi.org/10.1134/s2070205109020063.

31. Lee C., Yang W., Parr R. G. Development of the Colle-Salvetti correlation-energy formula into a functional of the electron density. Physical Review B. 1988;37:785-789. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.37.785

32. Becke A. D. Density-functional exchange-energy approximation with correct asymptotic behavior. Physical Review A. 1988;38:3098-3100. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.38.3098.

33. Grimme S. Accurate description of van der Waals complexes by density functional theory including empirical corrections. Journal of Computational Chemistry. 2004;25:1463-1473. https://doi.org/10.1002/jcc.20078.

34. Neese F., Wennmohs F., Becker U., Riplinger C. The ORCA quantum chemistry program package. Journal of Chemical Physics. 2020;152:224108. https://doi.org/10.1063/5.0004608.

35. Jeziorski B., Moszynski R., Szalewicz K. Perturbation theory approach to intermolecular potential energy surfaces of van der waals complexes. Chemical Reviews. 1994;94:1887-1930. https://doi.org/10.1021/cr00031a008.

36. Turney J. M., Simmonett A. C., Parrish R. M., Hohenstein E. G., Evangelista F. A., Fermann J. T., et al. Psi4: an open-source ab initio electronic structure program. Wiley Interdisciplinary Reviews: Computational Molecular Science. 2012;(2):556-565. https://doi.org/10.1002/wcms.93.

37. Patkowski K. Recent developments in symmetry-adapted perturbation theory. WIREs Computational Molecular Science. 2019;10(3):e1452. https://doi.org/10.1002/wcms.1452.

38. Okamoto Y., Miyamoto Y. Ab Initio investigation of physisorption of molecular hydrogen on planar and curved graphenes. Journal of Physical Chemistry B. 2001;105(17):3470-3474. https://doi.org/10.1021/jp003435h.

39. Petrushenko I. K., Petrushenko K. B. Adsorption of diatomic molecules on graphene, h-BN and their BNC heterostructures: DFT study. Diamond and Related Materials. 2019;100:107575. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2019.107575.

40. Lei W., Zhang H., Wu Y., Zhang B., Liu D., Qin S., et al. Oxygen-doped boron nitride nanosheets with excellent performance in hydrogen storage. Nano Energy. 2014;(6):219-224. https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2014.04.004.

41. Portehault D., Giordano C., Gervais C., Senkovska I., Kaskel S., Sanchez C., et al. High-surface-area nanoporous boron carbon nitrides for hydrogen storage. Advanced Functional Materials. 2010;20:1827-1833. https://doi.org/10.1002/adfm.201000281.

42. Bonifazi D., Fasano F., Lorenzo-Garcia M. M., Marinelli D., Oubaha H., Tasseroul J. Boron-nitrogen doped carbon scaffolding: organic chemistry, self-assembly and materials applications of borazine and its derivatives. Chemical Communications. 2015;51:15222-15236. https://doi.org/10.1039/c5cc06611e.

43. Hirscher M. Hydrogen storage by cryoadsorption in ultrahigh-porosity metal-organic frameworks. Angewandte Chemie. 2011;50:581-582. https://doi.org/10.1002/anie.201006913.

44. Wang L., Yang R. T. Hydrogen storage properties of N-doped microporous carbon. Journal of Physical Chemistry C. 2009;113:21883-21888. https://doi.org/10.1021/jp908156v.

45. Gaboardi M., Pratt F., Milanese C., Taylor J., Siegel J., Fernandez-Alonso F. The interaction of hydrogen with corannulene, a promising new platform for energy storage. Carbon. 2019;155:432-437. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2019.08.087.

46. Ma J. C., Dougherty D. A. The cation-pi interaction. Chemical Reviews. 1997;97:1303-1324. https://doi.org/10.1021/cr9603744.

47. Hu Z. Y., Shao X., Wang D., Liu L. M., Johnson J. K. A first-principles study of lithium-decorated hybrid boron nitride and graphene domains for hydrogen storage. Journal of Chemical Physics. 2014;141:084711. https://doi.org/10.1063/1.4893177.


Рецензия

Для цитирования:


Петрушенко И.К. Квантово-химическое моделирование адсорбции водорода в порах: исследование методами DFT, SAPT0 и IGM. Известия вузов. Прикладная химия и биотехнология. 2022;12(3):363-372. https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-3-363-372

For citation:


Petrushenko I.K. Quantum chemical simulation of hydrogen adsorption in pores: A study by DFT, SAPT0 and IGM methods. Proceedings of Universities. Applied Chemistry and Biotechnology. 2022;12(3):363-372. (In Russ.) https://doi.org/10.21285/2227-2925-2022-12-3-363-372

Просмотров: 415


Creative Commons License
Контент доступен под лицензией Creative Commons Attribution 4.0 License.


ISSN 2227-2925 (Print)
ISSN 2500-1558 (Online)