Energiförändringen i samband med avlägsnande av väte från nanorör av kiselkarbid. Grafen visar variationen av systemenergi med avståndet för en vätemolekyl från ytan av ett nanorör av kiselkarbid (nederst till höger). Kurvans djup anger den energi som krävs för att utvinna väte från lager. En jämförelse av prediktionsmetoder presenteras, med DMC som den mest exakta och vdW-DF2 som den närmaste matchen. Kredit:Kenta Hongo från JAIST
Vätgasenergi har potential att bli en nyckelåtgärd för att uppfylla FN:s mål för nettonollutsläpp, men dess industriella användning har hindrats av svårigheten i dess lagring och hantering. Väte blir en gas vid en mycket låg temperatur (-252°C), vilket gör förvaringen i rumstemperatur utmanande. Interaktionen mellan väte och dess lagringsmaterial är helt enkelt för svag för att bestå vid rumstemperatur. Detta gör utformningen av lagringsmaterial avgörande för att uppnå målet att ta väteenergi till daglig användning.
Det är här design av beräkningsmaterial kommer in. Mycket tid och ansträngning kan sparas under utvecklingen av väteteknologin genom att designa ett material på en dator och simulera dess kapacitet för vätelagring. Men förutsägelserna blir mycket begränsade i sin användning om de inte är korrekta och kan göras till en rimlig beräkningskostnad. I en nyligen publicerad studie publicerad i ACS Omega , forskare utvecklar en beräkningsmässigt dyr, men mycket exakt ny metod för att förutsäga vätgaslagring:"Att förbättra prediktionstillförlitligheten för simuleringar kan hjälpa till att påskynda utvecklingen av material för lagring av vätebränsle och leda till ett mer energieffektivt samhälle, " säger Dr. Kenta Hongo från Japan Advanced Institute of Science and Technology (JAIST), som ledde studien.
En av de grundläggande attraktionskrafterna mellan föremål är van der Waals kraft, som definierar interaktionen mellan atomer eller molekyler baserat på avståndet mellan dem. Eftersom Van der Waals kraft är konsekvensen av ganska komplicerade kvantprocesser, konventionella behandlingar kunde inte beskriva det bra, och därför är simuleringarna hittills på nivån för grova uppskattningar av det. Men är det rätt att göra det när man simulerar vätgaslagring? Detta var Dr. Hongos och teamets främsta oro.
För att svara på denna fråga, de tittade på nanorör av kiselkarbid, ett av de mest lovande materialen för vätelagring. Med hjälp av en beräkningsteknik som kallas diffusion Monte Carlo (DMC), de skapade en modell som stod för van der Waals krafter när de simulerade lagringen av väte i kiselkarbid nanorör. De flesta konventionella modeller tar hänsyn till interaktionerna mellan väte och kiselkarbid nanorör som helhet, men DMC-metoden använder kraften hos en superdator för att troget rekonstruera interaktionsmekanismen genom att följa arrangemanget av individuella elektroner. Detta gör DMC-modellen till den mest exakta metoden för förutsägelse hittills. Med DMC-modellen, forskarna kunde också förutsäga hur mycket energi som skulle krävas för att avlägsna väte från dess lagring, och hur långt borta vätet sannolikt var från ytan av kiselkarbid nanoröret. De jämförde sedan resultaten från deras modellering med de som erhölls via konventionella prediktionsmetoder.
Konventionella prediktionsmetoder är vanligtvis baserade på en beräkningsteknik som kallas densitetsfunktionella teorin (DFT). DFT använder funktionaler (modellbeskrivningar av kvantinteraktioner) som beskriver de rumsliga variationerna av elektrondensitet för att bestämma egenskaperna hos komplexa system. Även om det har gjorts flera DFT-baserade studier om lagring av väte på nanorör av kiselkarbid, ingen av dem har införlivat van der Waals krafter i sina förutsägelser. Van der Waals-korrigerade DFT-funktioner har, dock, använts för att förutsäga andra material. Dr. Hongo och teamet simulerade vätelagring med ett brett utbud av DFT-funktioner, de med van der Waals-korrigeringar och de utan. De fann att DFT-funktionerna utan van der Waals-korrigeringar missuppskattade energin som krävs för vätelagring med 4–14 %. Å andra sidan, van der Waals-korrigerade DFT-funktioner gav resultat som var ganska lika de för DMC. Dessutom, de fann att bidraget från van der Waals-kraften till lagringsenergin var cirka 9–29 %, vilket knappast är obetydligt.
Dessa fynd, Dr Hongo tror, kan vara ett språngbräde för ytterligare innovation inom simuleringsteknik för vätgaslagring. "Även om DMC-metoden är beräkningsmässigt dyr, den kan användas för att klargöra särdragen (tendenser för prediktionsfel) för varje prediktionsmetod. Detta kommer att hjälpa oss att förstå vilken förutsägelse vi ska lita på, och även hur man ändrar prediktionsmetoder för att göra dem mer användbara, " han förklarar.
