El vehículo de hidrógeno. Simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis del almacenamiento de hidrógeno en IRMOF-8

Abstract

En este trabajo de fin de grado se desarrollará el estudio, análisis e implementación de los MOFs (Metal-Organic Frameworks), para el almacenamiento del hidrógeno. El almacenamiento del hidrógeno es un punto clave en la economía del hidrógeno, que tiene como objetivo llevar a cabo una transición hacia un mundo más respetuoso con el medio ambiente. Se realizará un repaso de la situación actual del hidrógeno y de sus futuras aplicaciones. Por sus grandes superfi cies específicas, sus bajas densidades y su versatilidad, los MOFs, se presentan como materiales que pueden mejorar las capacidades gravimétricas y densidades volumétricas del hidrógeno. La finalidad es reducir las altas presiones necesarias para almacenarlo por compresión, para que el proceso sea más e ciente. Concretamente se va a estudiar el IRMOF-8, un derivado del MOF-5 (o IRMOF-1) con fórmula Zn4O(ndc)3, estructura cúbica, parámetro de red de 30.0915 A y volumen de celda unitaria 27248 A³ [1]. Se va a trabajar con simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis, para calcular las capacidades gravimétricas y densidades volumétricas de las moléculas de hidrógeno almacenadas. La temperatura de las simulaciones será de 77 K y se va a hacer un barrido de 0 a 10 MPa. El conjunto usado es el gran canónico, en el que el potencial químico, la temperatura y el volumen permanecen constantes. Se añaden, quitan y mueven moléculas de hidrógeno buscando alcanzar el equilibrio termodinámico. Las simulaciones se van a realizar para el IRMOF-8 sin interpenetrado e IRMOF-8 con interpenetrado. Se extraerán conclusiones de como afecta la cantidad extra de material adsorbente al almacenamiento de hidrógeno. Los resultados se cotejarán con los obtenidos experimentalmente [2]. En el artículo [3] se discuten posibles razones por las que el IRMOF-8 tiene menor capacidad gravimétrica de la esperada; en base a este artículo y a la información que nos aportan las simulaciones, se va a formalizar una hipótesis sobre los resultados experimentales de la capacidad gravimétrica del hidrógeno en el IRMOF-8. Se van a comparar las capacidades gravimétricas del hidrógeno en el IRMOF-8 y en el MOF-5, por ser dos MOFs con topología similar, y así analizar cómo afecta el parámetro de red, y el volumen de la celda a la capacidad gravimétrica. El potencial utilizado en las simulaciones es el potencial de Lennard- Jones. Se va a representar la energía potencial en el eje z de la celda, junto con el histograma de las posiciones de las moléculas de hidrógeno almacenadas tomando como referencia el eje z. Con estos gráfi cos vamos a discutir como les ha afectado el interpenetrado.

In this end-of-degree thesis, the study, analisis and implementation of MOFs (Metal-Organic Frameworks) will be developed, regarding Hydrogen storaging. Hydrogen storaging is key is the Hydrogen economy, which looks forward to a transition into a environmentally friendlier world. The overview of the actual situation of Hydrogen and its future applications will be given. Due to their big speci fic surfaces, their low densities and versatility, the MOFs present themselves as materials capable of improving the gravimetric capacities and volumetric densities of Hydrogen. The goal is to reduce the high pressure needed for compresion storaging, rendering the process more efficiency. Speci cally, the study will focusing on IRMOF-8, a derivative of MOF-5 (or IRMOF-1) with formula Zn4O(ndc)3 cubic structure, net parameter of 30.0915 A, and volume of unitary cell 27248 A [1]. Simulations of Monte Carlo-Metrópolis will be used, in order to calculate the gravimetric capacities and volumetric densities of the storaged Hydrogen molecules. The temperature of the simulations will be 77K and a sweep from 0 to 10 Mpa will be done. The set used will be the great canonical, in which the chemical potential, temperature and volume remain constant. Particles are taken in and out, expecting to reach thermodinamic balance. The simulations will be done on IRMOF-8 with and without interpenetration. Conclussions will be extracted regarding how it affects the extra adsorbent material in Hydrogen storaging. The results will be collated with the ones obtained experimentally [2]. In the article [3], possible reasons concerning why IRMOF-8's gravimetric capacity is less than expected will be discussed. Based on this articles and the information obtained from simulations, an hypothesis will be formalized about the gravimetric capacities of Hydrogen in IRMOF-8. The gravimetric capacities of Hydrogen in IRMOF-8 and MOF-5 will be compared, due to them being MOFs with similar topology. Therefore, analyzing how the net parameter and the cell volume affects the gravimetric capacity. The potential used in the simulations is the Lennard-Jones one. The potential energy will be represented in the z axis of the cell, next to the histogram position of the Hydrogen molecules, which take the z axis as reference. With this graphics we will discuss how the interpenetration affected them.