ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ

TMHMA ΧΗΜΕΙΑΣ

Υποψήφιος Διδάκτωρ

Στεργιαννάκος Ταξιάρχης

Τίτλος Διδακτορικής Διατριβής

Θεωρητική μελέτη προσρόφησης υδρογόνου σε νανοπορώδη υλικά

Επιβλέποντες

Επιβλέπων Καθηγητής : Φρουδάκης Ε. Γεώργιος

Μέλη Επιτροπής :

(1) Φρουδάκης Ε. Γεώργιος

(2) Φαράντος Κ. Σταύρος

(3) Στούμπος Αθανάσιος

Στοιχεία Διατριβής

Έναρξη Διδακτορικής Έρευνας : 08/02/2011

Ημερομηνία Υποστήριξης Διδακτορικής Διατριβής: 24/06/2015

Εγκεκριμένος Π/Υ: 45.000

Περίληψη

Τα σοβαρά περιβαλλοντικά προβλήματα που προκύπτουν από την καύση ορυκτών καυσίμων καθιστούν επιτακτική την ανάγκη να βρεθούν νέα, ανανεώσιμα και φιλικά προς το περιβάλλον καύσιμα Ένα από τα επικρατέστερα προς αντικατάσταση των ορυκτών είναι το υδρογόνο το οποίο όμως η αποτελεσματική αποθήκευση του έχει αποδειχθεί ιδιαίτερα δύσκολη. Ιδιαίτερο ενδιαφέρον έχει η αποθήκευση του σε νανοπορώδη σκελετικά υλικά τύπου Metal Organic Frameworks (MOFs), Zeolite Imidazolate Frameworks (ZIFs), Covalent Organic Framework (COFs) και σε υλικά με υποστυλωμένες δομές τύπου Pillared Graphene (PG).

Στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας μελετήθηκε η ικανότητα των δισθενών μετάλλων (Be Mg, Ca, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Ni, Ti, V και Zn) να βελτιώσουν την αποθηκευτική ικανότητα σε H2 σε υλικά τύπου MOF, COF και ZIF που έχουν για οργανική γέφυρα διφαινύλια ή κατεχόλες. Με υπολογισμούς από πρώτες αρχές («ab – initio») βρήκαμε βελτίωση στην ενέργεια αλληλεπίδρασης με το Η2 σε όλα τα μέταλλα. Από τις παραπάνω τροποποιήσεις την καλύτερη βελτίωση παρατηρήσαμε να εμφανίζεται στην περίπτωση κατεχόλη-Cu+2 και διφαινύλιο-Cu+2 με βελτίωση έως 23 και 13 φορές αντίστοιχα.

Στο δεύτερο μέρος της εργασίας σχεδιάστηκαν καινοτόμα τρισδιάστατα νανοδομημένα υλικά βασισμένα στα στοιχεία των πυριτίου - άνθρακα (SiC) και βορίου – αζώτου (BN). Οι δομές αυτές είναι βασισμένες στην δομή του Pillared Graphene (PG) και συνδυάζουν φύλλα τύπου γραφενίου με νανοσωλήνες σχηματίζοντας τρισδιάστατα περιοδικά υλικά, τα λεγόμενα 3D SiC-PG και 3D BN-PG. Η σύνδεση μεταξύ των φύλλων και των νανοσωλήνων δημιουργείται χρησιμοποιώντας τους κατάλληλους συνδυασμός πολυγώνων (τρία οκτάγωνα, έξι επτάγωνα, …). Οι συνδυασμοί αυτοί προκύπτουν από τον γενικευμένο κανόνα του Euler για πολύγωνα. Τα καινοτόμα αυτά υλικά εμφανίζουν εξαιρετικά ενδιαφέροντα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά τα οποία συνδυάζονται και με ευέλικτα γεωμετρικά χαρακτηριστικά. Από θεωρητικούς υπολογισμούς μας έχει βρέθηκε πως τα SiC και BN υλικά εμφανίζουν βελτιωμένες αποθηκευτικές ικανότητες σε υδρογόνο που οφείλεται στην ηλεκτροστατική φύση που φέρουν τα υλικά αυτά. Τα δομικά και ηλεκτρονιακά χαρακτηριστικά των υλικών αυτών καθώς και η αλληλεπίδραση τους με μοριακό υδρογόνο μελετήθηκαν με DFT (Density Functional Theory) και DFTB (Density Functional based Tight Binding) υπολογισμούς. Επιπλέον μελετήθηκε η αλληλεπίδραση υδρογόνου με τα μοντέλα Si15C15H14 και B15N15H14 τροποποιημένα με τα 3-d μέταλλα μετάπτωσης (Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, και Zn). Από την μελέτη αυτή βρέθηκε η ενέργεια αλληλεπίδρασης του Η2 να βελτιώνεται έως 20 και 15 φορές στην περίπτωση του τροποποιημένου Si15C15H14-Μ και B15N15H14-M αντίστοιχα.

Λέξεις κλειδιά

προσρόφηση υδρογόνου, νανοπορώδη υλικά, ορυκτά καύσιμα,

Παραδοτέα - Δημοσιεύσεις

1. Συμμετοχή με παρουσίαση στο 5ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΣΥΜΠΟΣΙΟ ΠΟΡΩΔΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 30/6/11 με θέμα: DESIGN AND MULTISCALE THEORETICAL INVESTIGATION OF NOVEL MOFs FOR HYDROGEN STORAGE

2. Stergiannakos, T.; Tylianakis, E.; Klontzas, E.; Trikalitis, P. N.; Froudakis, G. E. J. Phys. Chem. C , 2012, 116(15), 8359-8363

3. Συμμετοχή με poster στο Διεθνές Συνέδριο MOF2012 (16-19/09/2012): Enhancement of Hydrogen and Carbon Dioxide Adsorption in Metal-Organic Frameworks by Mg2+ Functionalization – Stergiannakos T., Tyliannakis E., Klontzas E. Froudakis E.G.

4. Συμμετοχή με παρουσίαση στην διημερίδα Ηράκλειτος ΙΙ (4-5/12/2012) με θέμα: Θεωρητική Μελέτη Προσρόφησης Υδρογόνου και Διοξειδίου του Άνθρακα σε Νανοπορώδη Υλικά

5. Συμμετοχή με παρουσίαση στο 6ο ΠΑΝΕΛΛΗΝΙΟ ΣΥΜΠΟΣΙΟ ΠΟΡΩΔΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 9-10/09/2013 ΤΕΙ Καβάλας με θέμα: THEORETICAL STUDY OF HYDROGEN AND CARBON DIOXIDE ADSORPTION IN NOVEL NANOPOROUS MATERIALS

6. Συμμετοχή με poster στο 30th Panhellenic Conference on Solid-State Physics and Material Science with international participation, 2014 (21st - 24th September 2014, FORTH, Heraklion, Crete, Greece), Novel 3D SiC and BN pillared nanostructures: design principles, electronic and H2 storage properties.