Регистрация / Вход
Прислать материал

Создание программно-вычислительного комплекса для компьютерного моделирования взаимодействия углеродных нанотрубок с водородом

Номер контракта: 14.575.21.0087

Руководитель: Громов Сергей Владимирович

Должность: доцент

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
программно-вычислительный комплекс, адсорбция, сорбент, углеродные нанотрубки, хранилище водорода, математическая модель.

Цель проекта:
Разработка программно-вычислительного комплекса, позволяющего моделировать структуру и адсорбционные свойства углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок с повышением на 20-25 % точности совпадения характеристик моделируемого сорбента со свойствами реального сорбента. Современное состояние проблемы характеризуется разнородностью применяемых моделей и методов, как правило, реализуемых на отдельных масштабных уровнях. На низшем уровне используются квантовые методы и методы молекулярной динамики. На высоких уровнях – огрубленные модели. Также активно применяются экспериментальные методы, однако практически значительное количество факторов делает экспериментальный подбор оптимальных вариантов сорбентов на основе углеродных нанотрубок практически бессмысленной задачей. Поэтому, безусловно, актуальной является задача проведения многоуровневого моделирования адсорбционных явлений и взаимодействия углеродных нанотрубок с водородом.

Основные планируемые результаты проекта:
Комплексная математическая модель процессов взаимодействия углеродных нанотрубок с водородом. Результаты расчетов сорбционно-кинетических и электронно-обменных свойств углеродных нанотрубок. Методика оценки эффективности сорбционных материалов для решения задачи хранения водорода с учетом взаимодействия водорода и углеродных нанотрубок на молекулярном уровне. Программно-вычислительного комплекс, который позволит моделировать структуру и адсорбционные свойства углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок с повышением на 20-25 % точности совпадения характеристик моделируемого сорбента со свойствами реального сорбента.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Программно-вычислительный комплекс, позволяющий моделировать структуру и адсорбционные свойства углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок. Аналогичные разработки мирового уровня не дают интересующей зависимости структурных и сорбционных свойств образцов сорбентов на основе углеродных нанотрубок, но позволяют моделировать процессы, происходящие в объекте различными методами.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Обзор передового программного и математического обеспечения для моделирования наноструктурированных сорбентов свидетельствует о наличии спроса на данное программное обеспечение со стороны научных организаций и промышленности. Применение разработанного программно-вычислительного комплекса предполагается в области проектирования новых устройств и технологий хранения водорода с целью выхода на оптимальные параметры функционирования, а также для оценки свойств конечных изделий. Основные источники получения дохода: продажи ПВК (лицензия /корпоративная лицензия); техническая поддержка ПВК; обучение сотрудников клиента работе с ПВК.
Разработана комплексная математическая модель углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок с описанием их структуры, физико-химических свойств, элементного и функционального состава, с учётом параметров окружающей среды.
Разработана методика исследования образцов углеродных нанотрубок при помощи спектроскопии комбинационного рассеяния (Раман-спектроскопии) для сопоставления структурных характеристик углеродных нанотрубок с адсорбционными закономерностями. Для анализа величины удельной поверхности образцов углеродных нанотрубок с различными характеристиками был применен метод низкотемпературной адсорбции азота. Для определения среднего диаметра углеродных нанотрубок была использована просвечивающая электронная микроскопия высокого разрешения. Для оценки температурной зависимости величины адсорбции водорода на поверхности УНТ были использованы результаты термопрограммируемой десорбции с импульсным титрованием. Проведены тестовые расчеты по моделированию структуры и адсорбционных свойств УНТ материалов.
Получение экспериментальных образцов сорбентов проводилось с использованием метода диспропорционирования CO. Данный метод характеризуется высоким выходом УНТ, однако достаточно сложен в аппаратно-технической реализации. Синтез проводился в непрерывном потоке CO, а в качестве железосодержащего катализатора в подогреваемом реакторе применяли карбонильное железо (Fe(CO)5). Температура синтеза составляла 1000°C. Смесь CO и Fe(CO)5 подавалась под давлением 10 атм. Контроль структурных параметров осуществлялся с применением спектроскопии комбинационного рассеяния.
Было достигнуто хорошее совпадение результатов расчета в рамках предложенных приближений с результатами расчета изотерм на основе методов молекулярной динамики, а также квантово-механических расчетов, проведенных на первом этапе.
Таким образом, было подтверждено, что предложенная математическая модель позволяет описать адсорбционные свойства основных классов УНТ и в достаточной степени учитывает все необходимые параметры анализируемых сорбентов.

Обсуждение работы на I Международной научно-практическая конференции «Графен и родственные структуры: синтез, производство и применение» показало, что полученные результаты соответствуют разработками мирового уровня.

Текущие результаты проекта:
- выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной, методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему, исследуемую в рамках ПНИ, в том числе обзор научных информационных источников за период 2009 – 2013 гг.;
- проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96;
- проведено моделирование структуры и адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок методами молекулярной механики, молекулярной динамики и полуэмпирическими квантово-механическими расчетами в программных продуктах Gamess, Gaussian, MOPAC, ORCA с интерпретацией результатов моделирования;
- проведены расчеты сорбционно-кинетических и электронно-обменных свойств углеродных нанотрубок с использованием методов Хартри-Фока, Брунауэра-Эммета-Теллера, теории функционала плотности, Монте-Карло;
- проведены расчеты молекулярных свойств, электростатического потенциала, электронной и спиновой плотности углеродных нанотрубок;
- проведены экспериментальные исследования наноструктурных сорбентов на основе нанотрубок;
- проведены предварительные маркетинговые исследования в области Проекта;
- разработана комплексная математическая модель углеродных наноструктурированных сорбентов на примере углеродных нанотрубок с описанием их структуры, физико-химических свойств, элементного и функционального состава;
- изготовлены экспериментальные образцы сорбентов на основе однослойных углеродных нанотрубок;
- проведены тестовые расчеты по моделированию структуры и адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок и их сравнение с экспериментальными данными;
- разработаны требования к алгоритмам расчета параметров комплексной математической модели углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок;
- разработаны алгоритмы расчета параметров комплексной математической модели углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок;
- разработаны требования к архитектуре программно-вычислительного комплекса для моделирования наноструктурных сорбентов и процессов адсорбции на основе нанотрубок (далее – ПВК);
- проведены натурных и предварительные модельные эксперименты;
- изготовлены экспериментальные образцы сорбентов на основе функционализированных однослойных углеродных нанотрубок.