We compare the self-assembly patterns of pentane (C5H12) and hexane (C6H14) adlayers physisorbed onto graphite at various coverages using the results of molecular dynamics simulations. Near monolayer coverage, the solid low temperature structure of the pentane film is nematic, and that of hexane-herringbone-like. At submonolayer coverages both systems exhibit three distinct topological regimes: vacancy patches at higher densities, percolating networks at intermediate densities and ultimately individual patches. The systems’ orientational behavior and melting dynamics is discussed with respect to its unique density-dependent topology. The simulations explicitly include hydrogens of pentane and hexane and the graphite is modeled as a six-layer all atom structure. Work supported by the U.S. Department of Energy (DE-FG02-07ER46411) and the American Chemical Society Petroleum Research Fund (PRF43277-B5). Computational resources were provided by the University of Missouri Bioinformatics Consortium.

Résumé (à complèter)

Hydrogen storage for automobiles (gas adsorption in engineered carbon nanospaces

W ekologicznych rozwiązaniach samochodowych zbiorniki sprężonego lub ciekłego wodoru zostaną w przyszłości zastąpione przez zbiorniki adsorbcyjne. Odwracalna adsorpcja, w ustalonych a priori warunkach eksploatacji (p, T) wymaga doboru odowiedniego adsorbenta. Powinien on spełniać ustalone przez DOE (US Department of Energy) normy: w temperaturze pokojowej i ciśnieniu poniżej 100 bar adsorbat powinien miec gęstość 60 kg/m3 a zaadsorbowany gaz stanowić 6% masy układu (norma 2010), a docelowo (norma 2015) - 9% masy przy gęstości 81 kg/m3. Aby osiągnąć te parametry, w ciągu ostatnich 15 lat przebadano szeroki wachlarz adsorbentów. Większość potencjalnie interesujących materiałów (wodorki metali, zeolity, MOF-y, COF-y) jest technologicznie nieopłacalna. Zmodyfikowane węgle aktywowane stanowią nadal najbardziej obiecującą grupę absobentów wodoru, ze względu na ich mała gęstość, dobrze znaną technologię (łatwość modyfikacji chemicznych) i niewielki koszt. Czysty porowaty węgiel wykazuje niewystarczające dla praktycznych zastosowań parametry adsorpcji wodoru ( mniej niż 8% masy w temperaturze azotowej i <1.5% w temperaturze pokojowej). Mała adsorbcja jest konsekwencją słabej energii fizysorbcji wodoru na węglu (~5 kJ/mol). Jednym ze sposobów zwiększenia adsorpcji porowatych węgli jest ich modyfikacja poprzez kontrolę wielkości porów, domieszkowanie lub substytucję atomów węgla innymi pierwiastkami. Niniejsze seminarium przedstawi teoretyczne granice adsorbcji wodoru w nanoporach zbudowanych z płaszczyzn grafitowych. Omówiony zostanie wpływ rozmiarów i geometrii porów na parametry adsorpcji. Przeanalizowane zostaną niektóre perspektywy zwiększenia adsorbcji poprzez modyfikację ścian adsorbenta, strukturalną (np. hole drilling) lub chemiczną (podstawienie części atomów węgla borem). Ta ostania prowadzi do lokalnej deformacji zarówno struktury grafitu, jak i energetycznej struktury adsorbentu i jest aktualnie intensywnie badana ekserymentalnie i numerycznie. Całość przedstawionych rezultatów jest wynikiem eksperymentów numerycznych (symulacje Monte Carlo w wielkim układzie kanonicznym) i zostanie przedyskutowana w porównaniu z najnowszymi wynikami eksperymentalnymi.

Carbons are one of several promising groups of materials for hydrogen storage by ad-sorption. Here it is shown how appropriately engineered nanoporous carbons provide materials for reversible hydrogen storage storage capacities ~ 80 g H2/kg carbon, ~ 50 g H2/liter carbon at 50 bar and 77 K. The nanopores generate high storage capacities by having very large surfaces for adsorption, and by hosting deep potential wells for narrow pores. Experimental studies are presented with surface areas as high as 3100 m2/g, in which 40% of all surface sites reside in pores of width ~ 0.7 nm and binding energy ~ 9 kJ/mol, and 60% of sites in pores of width > 1.0 nm and binding energy ~ 5 kJ/mol. The prevalence of two binding energies is also in agreement with results from computer simulations. We also compare experimental and theoretical calculations of distinct models for the adsorption where molecules adsorb to discrete sites (localized adsorption) and where molecules are able to freely move in the adsorption plane (mo-bile adsorption) and explore the regimes in which the quantum nature of H2’s rotational degrees of freedom plays an important role.