El vehículo de hidrógeno. Simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis del almacenamiento de hidrógeno en carbon nano-onions

Abstract

El objetivo del presente trabajo fin de grado es el estudio y análisis del almacenamiento de hidrógeno en unos nanomateriales porosos formados por átomos de carbono, denominados “carbon nano-onions” (CNOs). Los CNOs son estructuras de fullerenos anidados. En este trabajo, se han introducido fullerenos, con radios comprendidos entre 13 Å y 22 Å, en un fullereno de 27 Å, generando diez CNOs de doble capa diferentes. La elección de los CNOs se debe al potencial que tienen como poros de carbonos activados. La capacidad del carbono de adsorber moléculas orgánicas, unida a la gran variabilidad en el número de capas y al tamaño de éstas, podría permitir optimizar estos nanomateriales para este fin de diversas maneras. El objetivo de este trabajo es el estudio del almacenamiento de hidrógeno en estos nanomateriales que podrían ser utilizados como pilas de combustible. Por ello, en primer lugar, se han revisado los pilares más importantes en los que se apoya una economía basada en el hidrógeno. En segundo lugar, se ha utilizado el método de Monte Carlo-Metrópolis, realizando simulaciones que permiten calcular las capacidades gravimétrica y volumétrica de diferentes tipos de CNOs tanto a temperatura ambiente, como a una temperatura baja, 80.15 Kelvin, variando la presión en el intervalo 0.1-20 MPa. El método de Monte Carlo-Metrópolis es una técnica basada en la generación de números aleatorios que permite dar solución a problemas como el presente con un costo computacional menor al teóricamente requerido. Las simulaciones ejecutadas se han realizado en el colectivo gran canónico, lo que significa que el volumen, la temperatura y el potencial químico permanecen constantes. El método es iterativo, y en cada iteración se prueban diferentes configuraciones del sistema CNO-H2 moviendo, añadiendo o quitando moléculas de hidrógeno, alcanzando el equilibrio. Finalmente, se han analizado y discutido los resultados obtenidos en las simulaciones, concluyendo que existen estructuras de CNOs óptimas. También, se ha estudiado el efecto de los potenciales en función de la temperatura, lo que hace que diferentes estructuras sean óptimas a bajas o a altas temperaturas. Esto ha llevado a desarrollar las condiciones y parámetros que deben tenerse en cuenta para optimizar la capacidad de almacenamiento, de cara a desarrollar e implantar estos sistemas.

The objective of this final degree project is the study and analysis of hydrogen storage in porous nanomaterials formed by carbon atoms, called “carbon nano-onions” (CNOs). CNOs are nested fullerene structures. In this work, fullerenes, with radii between 13 Å and 22 Å, have been introduced into a 27 Å fullerene, generating ten different double-layer CNOs. The choice of CNOs is due to the potential they have as activated carbon pores. The ability of carbon to adsorb organic molecules, coupled with the great variability in the number of layers and their size, could make it possible to optimize these nanomaterials for this purpose in various ways. The objective of this work is the study of hydrogen storage in these nanomaterials that could be used as fuel cells. For this reason, in the first place, the most important pillars on which a hydrogen-based economy rests have been reviewed. Second, the Monte Carlo-Metropolis method has been used, carrying out simulations that allow calculating the gravimetric and volumetric capacities of different types of CNOs both at room temperature and at a low temperature, 80.15 Kelvin, varying the pressure in the interval 0.1-20 MPa. The Monte Carlo-Metropolis method is a technique based on the generation of random numbers that allows solving problems like the present one with a computational cost less than the theoretically required. The simulations carried out have been carried out in the grand canonical collective, which means that the volume, temperature and chemical potential remain constant. The method is iterative, and in each iteration different configurations of the CNO-H2 system are tested by moving, adding or removing hydrogen molecules, reaching equilibrium. Finally, the results obtained in the simulations have been analyzed and discussed, concluding that there are optimal CNO structures. Also, the effect of potentials as a function of temperature has been studied, which makes different structures optimal at low or high temperatures. This has led to the development of the conditions and parameters that must be taken into account to optimize storage capacity, in order to develop and implement these systems.