El vehículo de hidrógeno. Simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis del almacenamiento de hidrógeno en MOF-5 y HKUST-1

Abstract

El presente Trabajo de Fin de Grado se centra en estudiar la posible implementación de metales porosos como futuras pilas de combustible para el almacenamiento de hidrógeno. Para ello, primero se hará un breve recorrido por las actuales formas de almacenar hidrógeno, planteando primero los beneficios de una economía basada en hidrógeno y acabando con la situación actual del vehículo de hidrógeno. Se estudiará mediante simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis la capacidad gravimétrica que presentan diferentes estructuras metalo-orgánicas porosas, denominadas MOFs, a temperatura ambiente y a temperatura criogénica, haciendo un barrido de presiones de 0.1 a 25 MPa, para analizar bajo qué condiciones presentan un comportamiento óptimo. El método Monte Carlo es una técnica numérica no determinista, ya que se basa en el uso de números aleatorios y el estudio de la probabilidad para dar solución a problemas como el que se nos presenta. Se empleará el MOF-5, también conocido como IRMOF-1. Sintetizado por primera vez en 1999 por el grupo de investigación de O. M. Yaghi, marcando el inicio de un desarrollo exponencial de estos materiales. Es por su elevada superficie específica (de aproximadamente 2 900 m2/g) y su versatilidad por lo que es uno de los MOFs más estudiados. Aun siendo de los IRMOF con menos volumen libre, de en torno al 55.8 %, es superior al que muestran algunas zeolitas con cavidades más abiertas, como la faujasita. El empleado en estas simulaciones presentará una estructura cúbica tridimensional con unos parámetros de celda de 25.59 x 25.59 x 25.59 Å3. El segundo material a utilizar será el HKUST-1, sintetizado en el mismo año en la Universidad de Ciencias y Tecnología de Hong-Kong. Material de estructura cristalina, presenta una superficie específica de 1 455 m2/g, menor que la del MOF-5. Este MOF en concreto ya es sintetizado a escala industrial y comercializado aunque su implementación a nivel industrial requiere de investigación todavía. La elección de MOFs para este trabajo se debe a que son materiales de gran interés debido a su versatilidad estructural, así como al control que se tiene sobre el tamaño y funcionalidad de sus poros frente a otros materiales porosos como las zeolitas. El estudio se realizó en el colectivo gran canónico, donde el volumen, la temperatura y el potencial químico (relacionado con la concentración o presión del gas mediante una ecuación de estado) del sistema permanecen constantes. La ecuación de estado utilizada en este trabajo es la ecuación de Soave-Redlich-Kwong, SRK [Soave, 1972]. En cada iteración de la simulación las moléculas del gas se moverán de forma aleatoria por el material, cambiando su posición, añadiendo o quitando moléculas. Solo serán aceptadas aquellas configuraciones que cumplan con un valor de energía acorde a la distribución 5 de Boltzmann, es decir, si suponen una estabilización en la energía del sistema. El potencial de interacción entre las moléculas del gas almacenado (hidrógeno en este caso) con las del MOF, así como entre ellas mismas, es el potencial Lennard Jones. Por último se planteará la situación actual de los MOFs utilizados en pilas de combustible para el vehículo de hidrógeno y se mencionarán los últimos descubrimientos.