Simulaciones de Monte Carlo del almacenamiento de hidrógeno en nanoporos de carbono

Abstract

Este Trabajo de Fin de Grado consistió en escribir un código en C de simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis del almacenamiento de hidrógeno en nanoporos de carbono, en hacer simulaciones del almacenamiento con dicho código y en analizar los resultados de las simulaciones. Este Trabajo se centró en buscar una posible solución al problema del almacenamiento de hidrógeno por fisisorción, a la vez que se hizo un breve repaso de las tecnologías disponibles en la actualidad para su producción y uso. Pese a que a priori el almacenamiento de hidrógeno pueda parecer un problema más apto para ingenieros que para físicos, al empezar a profundizar en el tema, se encuentra rápidamente mucha más física detrás de la que pudiera parecer, ya que es necesario estudiar la interacción tanto entre moléculas de hidrógeno como con los carbonos de las paredes del poro que las contiene. Estas interacciones vienen dadas por potenciales, como el de Lennard-Jones. Del mismo modo, se hacen necesarios conocimientos en el área de física estadística para ser capaces de modelizar el sistema bajo estudio como un conjunto canónico o macrocanónico, según qué condiciones impongamos, y que nos determinarán las funciones de partición que serán imprescindibles para el estudio de las capacidades gravimétricas de nuestro material. Los nanoporos de carbono se simularon como dos láminas de grafeno plano-paralelas situadas a una distancia o anchura la una de la otra. Se conoce como ’slitpores’ a este tipo de poros. Las interacciones entre las moléculas de hidrógeno y entre las moléculas de hidrógeno y los átomos de carbono de los slitpores se simularon mediante potenciales de Lennard-Jones. Se simuló el conjunto macrocanónico (potencial químico, temperatura y volumen constantes) mediante el método de Monte Carlo-Metrópolis. En las simulaciones se calcularon las capacidades gravimétricas de almacenamiento de hidrógeno de los slitpores y se analizó y explicó el origen físico de su dependencia de la temperatura, la presión y la anchura de los slitpores.