Регистрация / Вход
Прислать материал

14.575.21.0087

Аннотация скачать
Общие сведения
Номер
14.575.21.0087
Тематическое направление
Индустрия наносистем
Исполнитель проекта
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Название доклада
Создание программно-вычислительного комплекса для компьютерного моделирования взаимодействия углеродных нанотрубок с водородом.
Докладчик
Громов Сергей Владимирович
Тезисы доклада
Цели и задачи исследования
Разработка программно-вычислительного комплекса (далее - ПВК), позволяющего моделировать структуру и адсорбционные свойства углеродных наноструктурированных сорбентов на примере углеродных нанотрубок
Актуальность и новизна исследования
В настоящее время в ведущих научных центрах мира ведется работа над созданием эффективных адсорбирующих материалов, способных накапливать значительные объемы водорода при умеренном давлении и температуре. Разработанный программный комплекс позволяет предсказывать поведение исследуемого объекта в условиях, где эксперименты пока не проводились. В то же время, проводимые вычислительные эксперименты позволяют изучать процессы в достаточной полноте, недоступной чисто теоретическим подходам. Созданные в рамках настоящего ПНИ технические решения соответствуют современному уровню в области компьютерного моделирования наносистем, а архитектура программного обеспечения позволяет адаптировать ПВК под новые методики параллельных вычислений, появление которых ожидается в ближайшие несколько лет.
Описание исследования

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 и предварительные маркетинговые исследования в области Проекта. Осуществлено 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. 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. Проведены тестовые расчеты по моделированию структуры и адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок и проведено их сравнение с экспериментальными данными, для чего изготовлены экспериментальные образцы материала на основе однослойных углеродных нанотрубок, функционализированных однослойных углеродных нанотрубок, многослойных углеродных нанотрубок. 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.  Проведены натурные и предварительные модельные эксперименты. Разработан программно-вычислительный комплекс для компьютерного моделирования взаимодействия углеродных нанотрубок с водородом (ПВК). Разработана программная документация на ПВК, отражающая реализацию разработанных решений. Проведена проверка статистической значимости (достоверности) параметров комплексной математической модели. Разработана методика оценки эффективности сорбционных материалов для решения задачи хранения водорода с учетом взаимодействия водорода и углеродных нанотрубок на молекулярном уровне. Получены данные вычислительных экспериментов с использованием ПВК. Разработана технико-экономическая оценка (ТЭО) рыночного потенциала ПВК.

Результаты исследования

Результаты моделирования структуры и адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок методами молекулярной механики, молекулярной динамики и полуэмпирическими квантово-механическими расчетами показали, что рассмотренные структуры обладают достаточно близкими сорбционными свойствами. Хорошо прослеживается зависимость с ростом величины адсорбции при увеличении диаметра и «дефектности» нанотрубок, то есть с увеличением количества нескомпенсированных поверхностных связей, а также закономерность адсорбции на свободных концах нанотрубки. Рассчитанные молекулярные и электростатические свойства углеродных наноструктурных сорбентов указывают на возможность использования данных структур для адсорбции и хранения водорода. В результате адсорбционного взаимодействия моделируемых структур с водородом наблюдалась частичная компенсация поверхностного заряда в случае хиральной нанотрубки и полная компенсация для нанотрубки типа «кресло». Экспериментальные исследования показали, что большинство исследованных образцов нанотрубок содержит технологические неорганические примеси. Для приближения характеристик, определяемых по результатам моделирования, к характеристикам коммерческих материалов, осуществлялось моделирование структуры и сорбционного взаимодействия на дефектах строения. Проанализированы имеющиеся данные о зависимости сорбционных свойств углеродных нанотрубок с различной структурой. Выявлены основные закономерности для расчета изотерм адсорбции УНТ в зависимости от параметров их хиральности, диаметра и длины. Для обеспечения учета физико-химических свойств и параметров структуры в модели были использованы как расчетные данные, так и результаты экспериментов по термопрограммируемой десорбции, спектроскопии комбинационного рассеяния и просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения некоторых видов УНТ. Разработана комплексная математическая модель углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок. Синтезированы необходимые образцы УНТ. Получены спектры комбинационного рассеяния образцов УНТ. Проведены тестовые расчеты по моделированию структуры и адсорбционных свойств углеродных наноструктурированных сорбентов на основе углеродных нанотрубок и выполнено сравнение полученных результатов с экспериментальными данными. Показано, что предложенная математическая модель позволяет описать адсорбционные свойства основных классов УНТ и в достаточной степени учитывает все необходимые параметры анализируемых сорбентов. На основе алгоритмов расчета адсорбционных свойств материалов на основе углеродных нанотрубок разработан программно вычислительный комплекс (ПВК) и программная документация, отражающая реализацию разработанных решений. Подтверждена статистическая значимость (достоверность) параметров комплексной математической модели. Выполнены требования к показателям назначения, техническим характеристикам научно-технических результатов ПНИ. Методика оценки эффективности сорбционных материалов для решения задачи хранения водорода с учетом взаимодействия водорода и углеродных нанотрубок на молекулярном уровне показала свою работоспособность. Технико-экономическая оценка (ТЭО) рыночного потенциала ПВК показала конкурентоспособность разработки.

Практическая значимость исследования
Создание научно-технического задела в области математического моделирования сорбентов на основе углеродных нанотрубок позволит эффективно проектировать новые устройства и технологии хранения водорода. Одной из важнейших задач, успешное решение которой во многом будет способствовать дальнейшему прогрессу водородной энергетики, является организация технически и экономически эффективного хранения и транспортировки водорода. Применение разработанного ПВК предполагается в области проектирования новых устройств и технологий хранения водорода. Наиболее перспективное направление использования водородных хранилищ на углеродных нанотрубках – топливные элементы, водородная энергетика. В настоящее время идет разработка топливных элементов мощностью от 1 кВт до 1 МВт для стационарной автономной энергетики. Топливные элементы находят применение в качестве источников энергии во всевозможных автономных системах.