شبیه سازی مولکولی فرآیند جذب متان در نانوساختارهای گرافن و پیلارد گرافن

هدف از انجام پژوهش حاضر، بررسی ظرفیت جذب گاز متان در یک نانوجاذب کربنی جدید به نام پیلاردگرافن با استفاده از روش شبیه سازی هیبریدی دینامیک مولکولی-گرندکانونیکال مونت کارلو می باشد. پیلاردگرافن متشکل از دو صفحه گرافنی موازی با هم است که بین دو صفحه نانولوله های کربنی به عنوان حائل و به صورت عمودی قرار گرفته اند. در ابتدا چگونگی جذب یک مولکول متان بر روی اشکال متفاوت صفحه گرافنی خالص و جایگزین شده با اتم های لیتیوم، نیتروژن و بور توسط روش تصحیح نظریه تابعی چگالی (DFT-D3) بررسی شد. نتایج حاصل از انرژی جذب و فاصله مولکول متان از صفحات مختلف گرافنی، فرایند جذب را از نوع فیزیکی و با میزان مناسب تری برای صفحات گرافن جایگزین شده با اتم لیتیوم پیش بینی نمود. سپس، تأثیر پارامترهای هندسی مانند تغییر در قطر و تعداد نانولوله و فاصله دو صفحه گرافنی از یکدیگر بر میزان نگهداری متان بررسی شد. نتیجه بررسی نشان دهنده برتری ساختار پیلاردگرافن با خصوصیات یک نانولوله کربنی با قطر 938/0 نانومتر به ازای هر 30 نانومتر مربع از صفحه گرافنی با فاصله دو صفحه گرافنی به میزان 2/1 نانومتر از یکدیگر، می باشد. همچنین، میزان جذب متان بر روی دو صفحه گرافنی موازی با هم با تغییر در فاصله صفحات در فشارهای متفاوت نیز بررسی شد. بر طبق ایزوترم های جذب به دست آمده، مشاهده شد که در این مورد نیز بهترین فاصله دو صفحه گرافنی از یکدیگر برای نگهداری بیشترین مقدار متان همان 2/1 نانومتر می باشد. سپس، ظرفیت ذخیره سازی متان در ساختارهای با هندسه بهینه پیلاردگرافن و در صفحه موازی گرافن خالص و جایگزین شده با اتم های نامتجانس، مورد بررسی قرار گرفت. برای به دست آوردن میزان جذب بیشتر گاز متان در این ساختارها، پیکربندی ها با سه اتم لیتیوم، نیتروژن و بور با درصدهای متفاوت، جایگزین شدند. نتایج حاصل از شبیه سازی هیبریدی نشان داد که در تمامی ساختارهای پیلاردگرافن و صفحات گرافنی، جایگزینی اتم های نامتجانس باعث افزایش مقدار جذب متان نسبت به ساختار خالص آن می شود. این میزان افزایش در مورد ساختارهای حاوی اتم لیتیوم بسیار مشخص تر است. افزایش جذب با ازدیاد میزان جایگزینی اتم نامتجانس، به خصوص در مورد ساختارهای حاوی لیتیوم، مشهودتر می باشد. در انتها مشخص شد که ساختارهای پیلاردگرافن و صفحات گرافنی حاوی لیتیوم (در تمامی درصدهای جایگزینی) و نیتروژن (در درصدهای بالاتر جایگزینی مساوی یا بالاتر از %5/18)، می توانند هدف جدید تعیین شده توسط سازمان انرژی آمریکا در سال 2015 را برای میزان نگهداری متان بر روی جاذب ها به مقدار (V(STP)/V) 263 را برآورده کنند. در یک جمع بندی کلی، مقایسه نتایج میزان جذب گاز متان بین دو ساختار گرافن و پیلاردگرافن، حاکی از جذب تقریبا یکسان متان بر روی پیلاردگرافن با ساختار بهینه و گرافن با ساختار بهینه بود، ولی به دلیل استحکام بیشتر و میزان تخلخل قابل تنظیم، پیلاردگرافن می تواند به عنوان گزینه مناسبی برای جذب انتخاب شود.