مروری بر ذخیره سازی متان در نانولوله های کربنی

یکی از مسائلی که امروزه در مبحث انرژی مطرح است، چگونگی ذخیره سازی سوخت‌های پاکی مانند هیدروژن، متان و... برای كاربردهای مختلف است. در حالت عمومی ذخیره سازی گاز طبیعی فشرده در وسایط نقلیه در سیلندرهای استیل سنگین و در فشارهای بالا (۲۰ تا ۳۰ مگا پاسكال)صورت می‌پذیرد در حالیكه ذخیره سازی گاز به روش ANG(adsorbed natural gas) در محفظه‌های سبك و با فشارهای نسبتا پائینی (در حدود ۴ مگا پاسكال)صورت می‌پذیرد، بنابراین ذخیره سازی گاز طبیعی به روش ANG می‌تواند یك انتخاب بسیار موثرتر باشد زیرا در فشارهای پایین هزینه‌های كمتری صرف ذخیره سازی می‌شود.

امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذب‌های متنوعی مانند كربن فعال شده(AC)، كربن اشتقاقی كربید(CDC)، زئولیت‌ها و نانولوله‌های كربنی تك دیواره(SWCNT)، نانولوله‌های كربنی چند دیواره(MWCNT)و... صورت می‌پذیرد. در این مقاله مروری داریم بر مكانیزم ذخیره سازی گاز متان با استفاده از نانولوله‌های كربنی و در نهایت نتایج كار محققان مختلف را در زمینه ذخیره سازی گاز‌ها با استفاده از نانو ساختارهای كربنی، مورد ارزیابی و مقایسه قرار می‌دهیم.

جذب گاز طبیعی در مواد متخلخلی مانند زئولیت‌ها، كربن فعال شده (AC) غربال‌های مولكولی، كربن اشتقاقی كربید، بررسی و مطالعه شده است.

اخیراً نانولوله‌های كربنی بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل یكنواخت، استقامت كششی زیاد، هدایت الكتریكی، بسیار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولوله‌‌های کربنی به دو صورت تک دیواره (SWCNT) و چند دیواره (MWCNT) می‌باشند. تحقیقات زیادی به منظور جذب گاز متان كه یكی از اجزای مهم گازطبیعی است، روی نانولوله‌های كربنی تك دیواره صورت گرفته است. این در حالی است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روی نانولوله‌های كربنی چند دیواره محدود می‌باشد. اما در بررسی‌های انجام شده به نظر می‌رسد، خواص جذب گاز روی SWCNT‌ها و MWCNTها كاملاً متفاوت می‌باشد.

● مکانیزم جذب متان توسط نانولوله‌های کربنی

در مطالعه ای که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هیدروژن با فولرین‌ها ونانولوله‌های كربنی نشان دهنده این مطلب بود که یون هیدروژن H+ با کربن‌های هیبرید شده SP۲ از هر دو ماده تشکیل کمپلکس می‌دهد.Xianren و[۲ Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبیه سازی GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) برای بررسی جذب CH۴ در داخل SWCNT‌ها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگی نوترون برای تشخیص نفوذ مولکول‌های CH۴ در SWCNT‌ها استفاده کرد و در این فرایند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که یک نمونه مربوط به فاز شبه جامد برای یک مجموعه پیوند قوی‌تر در دمای ۱۲۰ درجه کلوین و دیگری مربوط به کامپوننت‌های شبه مایع برای مجموعه پیوندهای ضعیف‌تر در ۷۰ تا ۱۲۹ درجه کلوین است.

بنابراین، مجموعه های جذبی متان در سطوح داخلی و خارجی نانولوله‌های کربنی به دو صورت شبه مایع و شبه جامد می‌باشد.

همچنین گزارش شده است[۱] که CNT هیدروژنی با هیدروژن مرزی متناوب داخلی/خارجی (H-CNTزیگزاگی)۰.۵۵ eV پایداتر از CNT هیدروژنی است که همه هیدروژن‌های آن خارجی باشند(H-CNT آرمچیر) و در این حالت (H-CNT زیگزاگی)، فرمر، مولكول‌های متان را با زاویه پیوندی تقریبا قائم در بر می‌گیرد. به‌طوری كه متان به‌طور قوی‌تری روی سطوح خارجی H-CNT زیگزاگی ذخیره می شود تا روی سطوح داخلی H-CNT زیگزاگی و H-CNT آرمچیر. از آنجایی که متان بصورت چهارگوش است و زاویه‌های پیوندی H-C-H در حدود ۱۰۹.۵ درجه است، کشیدکی الکترون‌های فعال شده کربن روی چهار اتم هیدروژن پیوندی اثر می‌گذارد به صورتی که روی اتم‌های هیدروژن کمبود جزئی الکترون به وجود می‌آید، به همین دلیل، مکانیزم جذب متان روی سطوح داخلی و خارجی نانولوله‌های کربنی به صورت شبه مایع و شبه جامد می‌باشد.[۳]

در مسیر مکانیزمی که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[۳]، مولکول متان با ساختار چهاروجهی با زاویه پیوندی تقریبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازی تا روی جاذبی با پیوند SP۲ C=C که نسبتا غنی از الکترون است، عبور می‌کند. دراین حالت چون اتم‌های هیدروژن مولکول‌های متان به خاطر کشیده شدن الکترون‌ها به سمت کربن مرکزی دارای کمبود جزئی الکترون هستند، یک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتیونی شامل دو پروتون را تشکیل می‌دهند. این یون می‌تواند بطور درون مولکولی، گروه SP۲ C=C را با یک پیوند SP۳ C-C پایدار کند که مشابه با فضا گزینی [۱]در واکنش‌های شیمیایی است.

اینچنین فضا گزینی در جذب سطحی با سایز روزنه محدود شده، کوپل و یک نیروی انقباضی روی جذب شعاعی متان بعدی و پیوند هیدروژنی بین SP۳(C-C) از شبکه CNT و SP۳ از مولکول متان، وارد می‌کند. از آنجاکه هر دو دارای یک ساختار چهاروجهی هستند، این امر منجر به تشکیل یک فاز شبه مایع در روزنه CNT می‌شود. از طرف دیگر سطح خارجی CNT هیچ نوع محدودیتی در جذب ندارد، بنابراین مولکول‌های متان بیشتری روی کربوکاتیون غیرپایدارحاضرجذب می‌شوند. این پدیده می‌تواند باعث جذب گازهای بیشتری در شکل فاز شبه مایع متان روی سطح داخلی شود زیرا فضای کافی برای پیوندها یا ارتعاشات مولکولی وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سیال، یک پدیده متداول است.

● ذخیره سازی گاز به روش ANG

به منظور كنترل دمای فرایند، سلول بارگیری(Loading Cell) و سلول جاذب (Adsorption Cell) و خطوط ارتباطی در یك حمام آب قرار دارند. قبل از شروع آزمایش بایستی ناخالصی‌های سلول جذب را توسط یك پمپ خلاء زدود و وزن جاذب را در خلاء كامل اندازه گیری كرد، زمانیكه دما در سلول‌های بارگیری و جاذب به حد مطلوب رسید (حالت تعادل اولیه) آزمایش شروع می‌شود. میزان فشار و دما در سلول‌ها به یك ركوردر موبایل گزارش می‌شود و به این صورت زمان تعادل واكنش در هنگامیكه فشار و دمای فرایند ثابت باقی ماند (حالت تعادل دوم) مشخص می‌شود سپس با موازنه جرم (معادله ۱) بر مبنای دما و فشار اندازه گیری شده قبل و بعد از حالت تعادل می‌توان ظرفیت جاذب را تعیین كرد.

كه در معادله فوق، P، فشار، T، دما، V، حجم، R، ثابت گاز، M، وزن مولكولی، Z، ضریب تراكم پذیری گاز و Nتعداد مولكول‌های جذب شده است. زیرنویس ۱ نشان دهنده وضعیت تعادلی اولیه و زیرنویس ۲ نشان دهنده وضعیت تعادلی نهایی است.[۴]

● مروری بر ذخیره سازی گاز متان در نانو ساختارها

Elena Bekyarova توسط اشتعال لیزری گرافیت، نانوهورن‌های (نانوشاخ) كربنی تك دیواره‌ای (SWNH) را برای ذخیره سازی گاز متان، در دمای اتاق و بدون كاتالیست، تولید كرد (شكل ۲). سایز و شكل مجموعه با نوع و فشار گاز بافر در حفره، كنترل می‌شود. این ساختارهای كربنی در آرگون با فشار۷۶۰ تور آماده می‌شوند. بخار كربن ذرات گرافیتی را با سایز یكنواختی در حدود ۸۰ نانومتر تولید می‌كند كه از SWNHsبا قطر حدودا ۲ تا ۳ نانومتر تركیب شده‌اند. دانسیته توده كه در این روش ذخیره سازی گاز متان استفاده شده است (SWNHs فشرده شده در فشار ۵۰ مگا پاسكال زیر خلاء)، ۰.۹۷ گرم بر سانتیمتر مكعب می‌باشد.

ایزوترم‌های جذب متان با دمای ۳۰۳ كلوین در این آزمایش بر اساس طبقه بندی BDDT از نوع I می‌باشند. داده‌های آزمایشگاهی جاذب SWNHs با داده‌های SWNT‌های آرایه مربعی و آرایه مثلثی شبیه سازی شده، مقایسه شدند.

نویسنده : حمیده شیخانی,جواد داودآبادی فراهانی

منابع

[۱] Seifert G. Hydrogen on and in carbon nanostructures. Solid State Ionics ۲۰۰۳

[۲] Zhang X. and Wang W. Methane adsorption in single-walled carbon nanotubes arrays by molecular simulation and density functional theory. Fluid Phase Equilibria ۲۰۰۲; ۱۹۴-۱۹۷: ۲۸۹-۲۹۵.

[۳] Iyuke S.E., Fakhrul-Razi, A., Guan T.C. and Danna A.B.M. Methane Adsorptive Storage Characteristics in and on Carbon Nanotubes. J. Institution of Engineers, Malaysia (submitted).

[۴] Jae-Wook Lee, Hyun-Chul Kang, Wang –Geun Shim, Chan Kim, and Hee Moon.Methane Asorption on Multi-Walled CarbonNanotube at(۳۰۳.۱۵,۳۱۳.۱۵ and ۳۲۳.۱۵)K. American Chemical Society. ۲۰۰۶

[۵] Elena Bekyarova, Katsuyuki Murata, Masako Yudasaka. Single-Wall Nanostructured Carbon for Methane Storage. J.Phy.Chem. ۲۰۰۳. ۱۰۷.

[۶] Muris,M.; Dufau, N; Bienfait, M.J.P. Langmuir۲۰۰۰,۱۶,۷۰۱۹.

[۷] Talapatra,S. Zambano,A.D. Phys.Rev. Lett. ۲۰۰۰,۸۵, ۱۳۸.

[۸] Talapatra, S.; Migone, A. D.Phys. Rev. B ۲۰۰۲, ۶۵, ۰۴۵۴۱۶ [۹] Dapeng Cao, Xianren Zhang, Jianfeng Chen, Optimization of Single_Walled Carbon Nanotube Arrys for Methane Storage at Room Temperature, J. Phys.Chem B, ۲۰۰۳,۱۰۷,۱۳۲۸۶-۱۳۲۹۲.

[۱۰] Lee,J.W.;Shim, W. G.; Moon, H. Adsorption equilibrium and kinetics for capillary condensation of trichloroethylene on MCM-۴۸.۲۰۰۴,۷۳,۱۰۹-۱۱۹