Ny måde at simulere brintlagringseffektivitet af materialer

Brintenergi har potentialet til at være en nøgleforanstaltning til at opfylde FN's netto nul-emissionsmål, men dets industrielle brug er blevet hindret af vanskeligheden ved opbevaring og håndtering. Brint bliver til en gas ved en meget lav temperatur (-252°C), hvilket gør opbevaringen ved stuetemperatur udfordrende. Samspillet mellem brint og dets opbevaringsmateriale er simpelthen for svagt til at vedvare ved stuetemperatur. Dette gør designet af lagermaterialer afgørende for at nå målet om at bringe brintenergi til daglig brug.

Det er her, computerbaseret materialedesign kommer ind i billedet. Der kan spares meget tid og kræfter under udviklingen af ​​brintteknologi ved at designe et materiale på en computer og simulere dets kapacitet til brintlagring. Men forudsigelserne bliver meget begrænsede i deres brug, medmindre de er nøjagtige og kan laves til en rimelig beregningsomkostning. I en nylig undersøgelse offentliggjort i ACS Omega , videnskabsmænd udvikler en beregningsmæssigt dyr, men meget nøjagtig ny metode til at forudsige brintlagring:"Forbedring af forudsigelsespålidelighed for simuleringer kan hjælpe med at accelerere udviklingen af ​​materialer til brintbrændstoflagring og føre til et mere energieffektivt samfund, " siger Dr. Kenta Hongo fra Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), der ledede undersøgelsen.

En af de grundlæggende tiltrækningskræfter mellem objekter er van der Waals-kraften, som definerer interaktionen mellem atomer eller molekyler baseret på afstanden mellem dem. Da Van der Waals-kraften er konsekvensen af ​​ret komplicerede kvanteprocesser, konventionelle behandlinger kunne ikke beskrive det godt, og derfor er simuleringerne indtil videre på niveau med grove skøn over det. Men er det rigtigt at gøre det, når man simulerer brintlagring? Dette var den primære bekymring for Dr. Hongo og teamet.

For at besvare dette spørgsmål, de så på siliciumcarbid nanorør, et af de mest lovende materialer til brintlagring. Ved hjælp af en beregningsteknik kaldet diffusion Monte Carlo (DMC), de skabte en model, der redegjorde for van der Waals kræfter, når de simulerede lagring af brint i siliciumcarbid nanorør. De fleste konventionelle modeller overvejer interaktionerne mellem brint og siliciumcarbid nanorør som helhed, men DMC-metoden bruger en supercomputers kraft til at rekonstruere interaktionsmekanismen trofast ved at følge arrangementet af individuelle elektroner. Dette gør DMC-modellen til den mest nøjagtige metode til forudsigelse til dato. Ved at bruge DMC-modellen, forskerne var også i stand til at forudsige, hvor meget energi der ville kræves for at fjerne brint fra dets lager, og hvor langt væk brinten sandsynligvis ville være fra overfladen af ​​siliciumcarbid nanorøret. De sammenlignede derefter resultaterne fra deres modellering med dem opnået via konventionelle forudsigelsesmetoder.

Konventionelle forudsigelsesmetoder er normalt baseret på en beregningsteknik kaldet density functional theory (DFT). DFT bruger funktionaler (modelbeskrivelser af kvanteinteraktioner), der beskriver de rumlige variationer af elektrontæthed til at bestemme egenskaberne af komplekse systemer. Mens der har været flere DFT-baserede undersøgelser af lagring af brint på siliciumcarbid nanorør, ingen af ​​dem har inkorporeret van der Waals-kræfter i deres forudsigelser. Van der Waals-korrigerede DFT-funktioner har, imidlertid, været brugt til forudsigelse af andre materialer. Dr. Hongo og teamet simulerede brintlagring ved hjælp af en bred vifte af DFT-funktioner, dem med van der Waals rettelser og dem uden. De fandt, at DFT-funktionerne uden van der Waals-korrektioner fejlestimerede den nødvendige energi til brintlagring med 4-14 %. På den anden side, van der Waals-korrigerede DFT-funktioner frembragte resultater, der var ret lig dem i DMC. I øvrigt, de fandt, at bidraget fra van der Waals-kraften til lagringsenergien var omkring 9-29 %, hvilket næppe er ubetydeligt.

Disse fund, Dr. Hongo mener, kan være et springbræt for yderligere innovation inden for simuleringsteknologi til brintlagring. "Selvom DMC-metoden er beregningsmæssigt dyr, den kan bruges til at tydeliggøre de særlige forhold (tendenser til forudsigelsesfejl) ved hver forudsigelsesmetode. Dette vil hjælpe os med at forstå, hvilken forudsigelse vi skal stole på, og også hvordan man ændrer forudsigelsesmetoder for at gøre dem mere nyttige, " forklarer han.