Сборник тезисов докладов IX Международной молодежной научной конференции

Полярное сияние 2006

Ядерное будущее: безопасность, экономика и право

Содержание сборника

Секция «Безопасность ядерных технологий»

Все доклады секции


ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ ТЕРМОДИНАМИКА АДСОРБЦИИ ДЛЯ ОБОСНОВАНИЯ СИНТЕЗА ОПТИМАЛЬНОГО АККУМУЛЯТОРА ВОДОРОДА НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК

Кальманова М.В.

Саровский государственный физико-технический институт

Гусев А.Л., Чабан П.А.

Научно-технический центр «ТАТА»

Осава Е.

Институт углеродных наноматериалов, Япония

Хэмптон М.Д.

University of Central Florida, USA

Цель работы - феноменологическое термодинамическое описание процесса сорбции и поиск аналитического решения, обеспечивающего создание материала, способного длительное время удерживать водород с большим объемным заполнением.

Большинство исследователей, проводящих эксперименты по насыщению водородом при комнатных температурах, отмечают низкое (до 1%) массовое содержание водорода в исследуемых наноструктурах. Однако, ряд исследователей считают, что сорбционные возможности углеродных нанотрубок еще далеко не исследованы.

Коэффициенты диффузии и энергия активации диффузионного процесса зависят от соотношения диаметра молекулы водорода (d=0.289 нм) и входного отверстия поры. Структура и свойства адсорбентов оказывают сильное влияние на его основные характеристики: адсорбционную емкость, скорость адсорбции и т.д. Все виды адсорбентов делятся на следующие структурные группы: адсорбенты с микропорами; адсорбенты с крупными порами (макропоры); адсорбенты с переходными порами (мезопоры).

Гипотезы, объясняющие причины плохой сорбции водорода внутри трубок при комнатной температуре:

·         несоизмеримость диаметра молекулы адсорбата и диаметра поры сорбента;

·         отравление катализаторов на поверхности трубок – плохая очистка трубок.

Аналитическим методом с использованием феноменологического термодинамического описания процесса сорбции, сформулирован вывод о возможности накопления водорода в порах адсорбента и его длительного удержания при технически приемлемых параметрах окружающей среды.

Если поры адсорбента по размерам соизмеримы с молекулами адсорбата, адсорбционный процесс приобретает активированный характер. В этом случае оказывается существенным наличие при входе в пору потенциального барьера. Наличие потенциального барьера с одной стороны усложняет процесс заполнения микросорбентов, с другой стороны является сдерживающим фактором, замедляющим десорбцию.

Создано феноменологическое термодинамическое описание процесса сорбции рассматриваемых адсорбентов (углеродных наноструктур). Получена модель оптимального аккумулятора водорода и условия его заполнения. Предложено для создания оптимального аккумулятора водорода провести синтез специального адсорбента
с капиллярами, равными или меньшими по диаметру молекулы водорода.

Предложены методы повышения степени насыщения углеродных нанотрубок водородом и его длительного удержания в них.

Рисунок 1. Упаковка трубок, насыщенных водородом, «большими» молекулами [1]

Рисунок 2. Удержание водорода в углеродных нанотрубках электрическим полем [2]

 

Углеродные наноструктуры, промотированные катализатором, позволяют осуществлять процессы атомизации водорода для удержания молекул водорода на поверхности углеродных нанотрубок продолжительное время.

Для цикла д.в.с. и для массовых заполнений углеродных нанотрубок: 1%, 5%, 8%, 20%, 40% и для пробега автомобиля 300 км необходимы баки соответственно следующих объемов: 155,6 м3; 31,12 м3; 19,45 м3; 7,78 м3; 3,89 м3. КПД топливных элементов в 1,5-2 раза более эффективен по сравнению с циклом д.в.с., тогда для заданного пробега и при 40% заполнении трубок водородом потребуется бак 1,945 м3.

Предложена конструкция переходной модели автомобиля с размещением углеродных нанотрубок в среде жидкого азота, который может использоваться как унитарное топливо в цикле пневмодвигателя. Автомобиль может использоваться на опасных объектах, развивая скорость до 60 км/час; водород может использоваться для форсирования мощности двигателя за счет подключения в работу топливного элемента и электродвигателей колес [3].

Литература

1.              Гусев А.Л., Кальманова М.В. Заявка на предполагаемое изобретение «Способ хранения водорода в углеродных наноструктурах».

2.              Гусев А.Л., Кальманова М.В. Заявка на предполагаемое изобретение «Способ осуществления сорбционно — десорбционных процессов водорода в углеродных наноструктурах».

3.              Гусев А.Л., Кальманова М.В., Кондырина Т.Н., Чабан П.А. Заявка на предполагаемое изобретение «Азотно-водородный гибридный автомобиль».