Simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis del almacenamiento de hidrógeno en PIMs (Polymers of Intrinsic Microporosity)

Abstract

Los vehículos de hidrógeno se están convirtiendo hoy en día en una alternativa a los vehículos de gasolina por ser energéticamente más limpios que estos, ya que no producen emisiones de dióxido de carbono. La principal limitación a día de hoy en el impulso de tales sistemas es la necesidad de poder transportar el hidrógeno a bordo del vehículo. En este sentido, la fisisorción de hidrógeno en materiales microporosos se está convirtiendo actualmente en una técnica popular de almacenamiento. En este aspecto, los polímeros de microporosidad intrínseca (PIMs) son buenos candidatos para almacenar hidrógeno, ya que gracias a su ineficiente distribución para llenar el espacio, las moléculas de hidrógeno pueden depositarse en los huecos (microporos) vacíos. En este trabajo hemos desarrollado simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis para estudiar las capacidades gravimétrica y volumétrica de tres polímeros de microporosidad intrínseca: HPB-PIM, PIM-TMN-Trip y PIM-1. Se han repetido los cálculos para dos temperaturas diferentes, T=298.15 K y T=77 K (siendo los rangos de presión desde 0.1 hasta 25 MPa y desde 0.1 hasta 15 MPa respectivamente). Para cada uno de los polímeros se ha construido una celda de simulación de dimensión aproximada 50X50X50 Å3, que contiene cadenas o polímeros orientados y colocados aleatoriamente. La distribución de las cadenas o polímeros seleccionada es aquella que minimiza la energía total del sistema. Se ha obtenido un buen acuerdo entre los resultados experimentales hallados en la literatura y los valores teóricos simulados. Además, se ha derivado una relación entre la capacidad gravimétrica y la capacidad volumétrica, estando ambas relacionadas con la superficie BET y la densidad del correspondiente polímero.

Hydrogen vehicles are currently becoming a clean alternative to petrol cars since they do not emit carbo dioxide and, consequently, they do not contribute to global warming. As they must be on-board systems, efforts directed towards cutting down their dimensions represent a very active field of research. Physisorption of hydrogen in microporous materials is becoming a popular technique due to the amount of hydrogen that can be stored in a relatively small volume. In this regard, polymers of intrinsic porosity (PIMs), are promising candidates, as their inefficient distribution to fill up space allows hydrogen molecules to be deposited in empty microporous. Here we have performed Grand Canonical Monte Carlo simulations to calculate the gravimetric and volumetric capacities of three of these polymers: HPB-PIM, PIM-TMN-Trip and PIM-1. Two different temperatures have been selected, T=298.15 K and T=77 K (at a range of pressures from 0.1 to 25 MPa and from 0.1 to 15 MPa, respectively). A simulation cell of approximate size 50X50X50 Å3 has been constructed for each polymer, containing randomly oriented and located chains or polymers, in agreement with the experimental polymer density. The final distribution of chains has been chosen to be the one with the lowest total energy. We found that the comparison between simulated and theoretical results showed a good agreement. In addition, a relationship between gravimetric and volumetric capacities has been derived, being these two capacities related to the BET surface of the polymers and their corresponding density.