جدیدنانوساختارهای هیبریدی برای ذخيره سازی هیدروژن – Hybrid nanostructures hold hydrogen well
نانوساختارهای هیبریدی برای ذخيره سازی هیدروژن
• دانشمندان دانشگاه رایس می گویند استفاده از هيبريد نیترید بور-گرافن مي تواند برای خودروهای سبز نسل بعدی موثر واقع شود.
———————————————————
ترجمه از گروه ترجمه ایران مواد
حرفه ای ترین تیم ترجمه مهندسی مواد کشور
———————————————————
هوستون – (24 اکتبر، 2016) –به گفته دانشمندان دانشگاه رایس، لایه هاي گرافن جدا شده توسط ستون هاي نانولوله اي از جنس نیترید بور مي تواند ماده مناسب برای ذخیره سوخت هیدروژن در اتومبیل ها باشد.
وزارت انرژی معیارهايي را برای مواد ذخیره سازی، كه هیدروژن را به سوخت عملی برای وسایل نقلیه سبک تبديل مي كند، تعیین کرده است. روزبه شهسواری دانشمند مواد آزمایشگاه رايس در یک مطالعه محاسباتی جدید مشخص كرد که نیترید بور ستوني شده و گرافن می تواند یک كانديد بالقوه براي اين امر باشد.
این مطالعه توسط شهسواری و فرزانه شایگان در مجله انجمن شیمی آمریکا- لانگمیر به چاپ رسيده است.
آزمایشگاه شهسواری قبلا از طریق مدل های کامپیوتري، تعیین کرده بودند كه ساختارهای گرافن ستوني-شده سخت و انعطاف پذیر چگونه خواهند بود و بعدتر نانولوله نیترید بور را به مخلوط اضافه كردند تا معماری سه بعدی منحصر به فردي را مدل سازي كنند. (نمونه هايی از نانولوله های نیترید بوري كه به طور یکپارچه به گرافن متصل شده اند، ساخته شده است.)
مانند ستون ها در یک ساختمان كه فضای بین طبقه اي برای مردم ايجاد مي كند، ستون ها در نیترید بور-گرافن برای اتم هیدروژن فضا ایجاد مي نمايند. چالش این است که اتم ها به آن وارد شوند و به تعداد كافي در آن ذخيره شوند و در هنگام تقاضا خارج شوند.
در آخرین شبیه سازی دینامیک مولکولی، محققان دریافتند که هم گرافن ستوني شده وهم بور نیترید ستوني شده-گرافن مساحت سطح فراواني (در حدود 2547 متر مربع در هر گرم) با خواص قابل بازیابي خوب تحت شرایط محیط را ارائه مي دهند. مدل های آن ها نشان داد كه اضافه کردن اکسیژن و یا لیتیوم به مواد، آنها را در پيوند هیدروژن بهبود مي دهد.
آن ها در شبیه سازی بر چهار متغير متمرکز شده اند: ساختارهاي ستوني از نیترید بور یا نیترید بور ستوني شده گرافن كه با اکسیژن و یا لیتیوم دوپ شده است. در دمای اتاق و در فشار محیط، گرافن نیترید بور دوپ شده با اکسیژن، با نگه داري 6/11 درصد وزني هیدروژن (ظرفیت وزنی) و حدود 60 گرم در هر لیتر (ظرفیت حجمی) بهترین شناخته شد؛ اين ماده به آسانی فن آوری های رقیب مانند نیترید بور متخلخل، چارچوب هاي اکسید فلزی و نانولوله های کربنی را كنار مي زند.
در دماي سرد -321 درجه فارنهایت، اين ماده 14.77 درصد از وزن خود، هیدروژن نگه مي دارد.
هدف فعلی وزارت انرژی برای محيط های ذخیره سازی اقتصادی توانایی ذخیره بیش از 5.5 درصد از وزن ماده و 40 گرم در هر لیتر هیدروژن در شرایط معمول است. اهداف نهایی 7.5 درصد از وزن و 70 گرم در هر لیتر است.
شهسواری گفت اتم هاي هیدروژن به نیترید بور ستوني شده-گرافن بدون دوپ، به خاطر نیروهای واندروالس ضعیف جذب شدند. هنگامی که مواد با اکسیژن دوپ شدند، اتم ها به شدت با هيبريد پیوند -خورند و سطح بهتري برای هیدروژن ورودی ايجاد كردند، که به گفته شهسواری، به احتمال زیاد تحت فشار وارد شده و هنگامی که فشار آزاد می شود، خارج مي شوند.
او گفت: “اضافه کردن اکسیژن به زيرلايه به ما پيوند خوبي به دلیل ماهیت بارها و اثر متقابل آن ها به دست می دهد. اکسیژن و هیدروژن، میل شیمیایی خوبي به هم دارند.”
او گفت که طبیعت قطبیِ نیترید بور جايي كه با گرافن پيوند مي خورد و تحرک الکترونيِ گرافن به خودي خود، اين ماده را به شدت برای كاربردها، قابل تنظیم ساخته است.
“آنچه ما به دنبال آن هستيم، “نقطه شیرین” است، شهسواری، شرایط ایده آل را با عنوان تعادل بین سطح ماده و وزن آن و همچنین عامل درجه حرارت و فشار، توصیف مي كند. این امر تنها از طریق مدل-سازی محاسباتی عملی است، زیرا ما می توانیم بسیاری از تغییرات را بسیار به سرعت تست کنيم. اما اين كار براي آزمايش گران تجربي ماه ها طول می کشد”.
او گفت که ساختار باید به اندازه کافی با ثبات باشد تا به راحتی از نيازمندي هاي وزارت انرژی پيشي جويد که در آن يك مخزن سوخت هیدروژني قادر به مقاومت در برابر 1500 چرخه هاي شارژ-دشارژ است.
شایگان فر استاد مهمان سابق در رايس، استادِ دانشگاه تربیت دبیر شهید رجایی در تهران، ایران است.
+ شبیه سازی ها توسط دانشمندان دانشگاه رایس نشان می دهد که نیترید بور ستوني شده-گرافن مي تواند محيط دخيره مناسب براي وسایل نقلیه هیدروژنی باشد. بالا، ستون هاي صورتی (بور) و آبی (نیتروژن) به عنوان جداکننده برای ورقه هاي گرافن کربني (خاکستری) عمل می کنند. محققان نشان دادند که مواد دوپ شده با اتم های اکسیژن (قرمز)، که توانایی ش را براي جذب و واجذب هیدروژن (سفید) بهبود داده، بهترین عملكرد را دارند.
منبع : http://news.rice.edu
ترجمه : مریم آزاده
—————————————————————————————————————————————————
Hybrid nanostructures hold hydrogen well
Rice University scientists say boron nitride-graphene hybrid may be right for next-gen green cars
HOUSTON – (Oct. 24, 2016) – Layers of graphene separated by nanotube pillars of boron nitride may be a suitable material to store hydrogen fuel in cars, according to Rice University scientists.
The Department of Energy has set benchmarks for storage materials that would make hydrogen a practical fuel for light-duty vehicles. The Rice lab of materials scientist Rouzbeh Shahsavari determined in a new computational study that pillared boron nitride and graphene could be a candidate.
The study by Shahsavari and Farzaneh Shayeganfar appears in the American Chemical Society journal Langmuir.
Shahsavari’s lab had already determined through computer models how tough and resilient pillared graphene structures would be, and later worked boron nitride nanotubes into the mix to model a unique three-dimensional architecture. (Samples of boron nitride nanotubes seamlessly bonded to graphene have been made.)
Just as pillars in a building make space between floors for people, pillars in boron nitride graphene make space for hydrogen atoms. The challenge is to make them enter and stay in sufficient numbers and exit upon demand.
In their latest molecular dynamics simulations, the researchers found that either pillared graphene or pillared boron nitride graphene would offer abundant surface area (about 2,547 square meters per gram) with good recyclable properties under ambient conditions. Their models showed adding oxygen or lithium to the materials would make them even better at binding hydrogen.
They focused the simulations on four variants: pillared structures of boron nitride or pillared boron nitride graphene doped with either oxygen or lithium. At room temperature and in ambient pressure, oxygen-doped boron nitride graphene proved the best, holding 11.6 percent of its weight in hydrogen (its gravimetric capacity) and about 60 grams per liter (its volumetric capacity); it easily beat competing technologies like porous boron nitride, metal oxide frameworks and carbon nanotubes.
At a chilly -321 degrees Fahrenheit, the material held 14.77 percent of its weight in hydrogen.
The Department of Energy’s current target for economic storage media is the ability to store more than 5.5 percent of its weight and 40 grams per liter in hydrogen under moderate conditions. The ultimate targets are 7.5 weight percent and 70 grams per liter.
Shahsavari said hydrogen atoms adsorbed to the undoped pillared boron nitride graphene, thanks to weak van der Waals forces. When the material was doped with oxygen, the atoms bonded strongly with the hybrid and created a better surface for incoming hydrogen, which Shahsavari said would likely be delivered under pressure and would exit when pressure is released.
“Adding oxygen to the substrate gives us good bonding because of the nature of the charges and their interactions,” he said. “Oxygen and hydrogen are known to have good chemical affinity.”
He said the polarized nature of the boron nitride where it bonds with the graphene and the electron mobility of the graphene itself make the material highly tunable for applications.
“What we’re looking for is the sweet spot,” Shahsavari said, describing the ideal conditions as a balance between the material’s surface area and weight, as well as the operating temperatures and pressures. “This is only practical through computational modeling, because we can test a lot of variations very quickly. It would take experimentalists months to do what takes us only days.”
He said the structures should be robust enough to easily surpass the Department of Energy requirement that a hydrogen fuel tank be able to withstand 1,500 charge-discharge cycles.
Shayeganfar, a former visiting scholar at Rice, is an instructor at Shahid Rajaee Teacher Training University in Tehran, Iran.
Simulations by Rice University scientists show that pillared graphene boron nitride may be a suitable storage medium for hydrogen-powered vehicles. Above, the pink (boron) and blue (nitrogen) pillars serve as spacers for carbon graphene sheets (gray). The researchers showed the material worked best when doped with oxygen atoms (red), which enhanced its ability to adsorb and desorb hydrogen (white).
دیدگاه کاربران