Μελέτη της αλληλεπίδρασης ατομικού και μοριακού υδρογόνου με νανοδομές άνθρακα

Abstract

The purpose of this dissertation is to study the interaction of atomic and molecular hydrogen with carbon nanostructures. For this purpose, several different computational programs were used, in order to perform first principles (ab - initio) calculations in the systems which were under investigation. Initially, a brief report on the energy problem that we are facing as well as the effects on the environment from the thoughtless use of energy sources is presented. As natural solution to all the above problems the use of hydrogen as an energy carrier is suggested. Next, the problems that are preventing hydrogen from being used widely are analyzed as well as the available solutions. The most promising answer to the problem is the use of carbon based nanomaterials. Therefore, a thorough discussion on carbon is performed. Carbon’s elemental properties, importance and also the various forms that can attain not only in solid state but also in nanostructured configurations, are explained. The theoretical background on which the calculations were based is introduced next. After completely understanding theory it is essential to move on to the results section. Hydrogen’s interaction was evaluated on the following carbon nanostructures: a) Pristine, Deformed and lithium doped Carbon Nanotubes, b) Pillared Graphene, c) Fullerenes intercalated in Graphene, d) Pillared Graphene with Siloxane and e) Carbon nanotube’s network nanostructures.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της αλληλεπίδρασης ατομικού και μοριακού υδρογόνου με νανοδομές άνθρακα. Τα εργαλεία που χρησιμοποιήσαμε για το σκοπό αυτό ήταν διαφορετικά υπολογιστικά πακέτα, με τα οποία πραγματοποιήσαμε προσομοιώσεις “από πρώτες αρχές” (ab - initio), των υπό εξέταση συστημάτων. Αρχικά γίνεται μια σύντομη αναφορά στο ενεργειακό πρόβλημα το οποίο υπάρχει, καθώς και στις επιπτώσεις στο περιβάλλον από την αλόγιστη χρήση ενεργειακών πηγών. Ως φυσικό επακόλουθο των παραπάνω προβλημάτων έρχεται η χρήση του υδρογόνου ως φορέα ενέργειας. Εν συνεχεία, αναλύονται τα προβλήματα στην αποθήκευση του υδρογόνου που καθιστούν απαγορευτική την ευρεία χρήση του καθώς και οι προτεινόμενες λύσεις. Από τις λύσεις η πλέον υποσχόμενη αφορά νανοϋλικά βασισμένα στον άνθρακα. Έτσι γίνεται μια εκτενής αναφορά στον άνθρακα, στις ιδιότητές του, στη σημασία του, αλλά και στις μορφές που μπορεί να πάρει είτε στη στερεά κατάσταση, είτε σε νανοδομικές διαμορφώσεις. Κατόπιν, αναλύεται το θεωρητικό υπόβαθρο πάνω στο οποίο βασίστηκαν οι υπολογισμοί. Μετά από την πλήρη κατανόηση της θεωρίας, μπορούμε να περάσουμε στο μέρος των αποτελεσμάτων. Τα διαφορετικά συστήματα με τα οποία είναι δυνατόν να αλληλεπιδράσει το υδρογόνο, ώστε να δώσει ικανοποιητικά ποσοστά αποθήκευσης, και τα οποία μελετήθηκαν είναι: α) Τέλειοι, Ατελείς και Εμπλουτισμένοι με Αλκάλια Νανοσωλήνες Άνθρακα, β) Υποστυλωμένο Γραφένιο με Νανοσωλήνες Άνθρακα (Pillared Graphene), γ) Υποστυλωμένο Γραφένιο με Φουλλερένια (Fullerenes intercalated in Graphene), δ) Υποστυλωμένο Γραφένιο με Siloxane και ε) Δίκτυα Νανοσωλήνων Άνθρακα. Η διατριβή ολοκληρώνεται με μια σύνοψη των αποτελεσμάτων, καθώς και μια παρουσίαση των συμπερασμάτων τα οποία μπορούν να εξαχθούν.