Simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis del almacenamiento de hidrógeno en poros plano-paralelos de BC3

Abstract

Actualmente, los vehículos de hidrógeno se están convirtiendo en una alternativa a los vehículos de gasolina, al no producir emisiones de dióxido de carbono. El objetivo final sería sustituir a estos últimos e impulsar una economía basada en el hidrógeno En este trabajo fin de grado se tratará el mayor problema de los vehículos de hidrógeno: el almacenamiento efectivo y seguro de la cantidad de hidrógeno gaseoso necesaria y suficiente como para poder competir con los vehículos gasolina/diésel. Algunos materiales tienen una importante capacidad para almacenar hidrógeno. Los materiales porosos son los que van a tener un papel protagonista, debido a que una alta porosidad está directamente relacionada con una mayor capacidad de almacenar hidrógeno. En particular, este trabajo fin de grado estudia el almacenamiento de hidrógeno en poros de BC3, un material inspirado en el grafeno, y obtenido experimentalmente en 2005. El BC3 es una lámina bidimensional con estructura hexagonal parecida a la del grafeno, donde algunos átomos de carbono son substituidos por átomos de boro. El hecho de cambiar tanto la composición como la modificación ligera de la estructura introduce modificaciones en las capacidades de almacenamiento de hidrógeno. El estudio se realiza mediante simulaciones de Monte Carlo-Metrópolis en el conjunto gran canónico (μ V T) obteniendo las capacidades de almacenamiento de hidrógeno de poros de BC3 a temperatura ambiente (T = 298,15 K) en dos situaciones. En la primera, se fija la presión en 25 MPa y se varía el tamaño de los poros. En la segunda, se fija un tamaño del poro y se varía la presión. Los resultados obtenidos se comparan con los de los poros de grafeno, analizando y discutiendo los cambios resultantes en las capacidades de almacenamiento de hidrógeno.

Currently, hydrogen vehicles are becoming an alternative to gasoline fuel ones since they don’t put out carbon dioxide emissions. The final target is to substitute these and give impulse to a hydrogen-based economy. This end-of-degree thesis will approach these vehicles’ biggest issue: the safe and effective storage of the necessary amount of hydrogen gas to compete with diesel/gasoline fuel cars. Some materials put forward an important hydrogen storage capacity. Porous materials are the main protagonists here, due to their high porosity, which is directly linked to a greater capacity to store the hydrogen. Specifically, this paper focuses on hydrogen storage in BC3 pores, a graphene-inspired material, which was experimentally obtained in 2005. BC3 is a bidimensional sheet, with a similar structure to that of graphene, where some of the carbon atoms have been substituted by boron ones. Changing the composition as well as the subtle modification of the structure introduces modifications to the hydrogen storage capacities. Monte Carlo-Metropolis simulations in the grand canonical ensemble (μ V T) have been done in order to study its hydrogen storage capacity at room temperature (T = 298,15 K) in two different cases: fixing the pressure at 25 MPa and changing the pores’ size, and the second one, fixing the pores’ size and increasing the pressure. The obtained results have been compared to those of graphene, analyzing the found differences.