Plan prezentacji. Wprowadzenie Metody Wyniki Wnioski Podziękowania. Yaghi et al. Nature 2003, 423, 705 2

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Plan prezentacji. Wprowadzenie Metody Wyniki Wnioski Podziękowania. Yaghi et al. Nature 2003, 423, 705 2"

Filip Kaźmierczak
8 lat temu
Przeglądów:

1 Molecular Modeling of Hydrogen Storage. M+ H2 and M+ Benzene vs. Metal Organic Frameworks (MOF) P. Groch1, M. Stachów1, T. Kupka1 oraz L. Stobiński2 1Uniwersytet Opolski, Wydział Chemii, Opole 2Instytut Chemii Fizycznej, PAN, Warszawa adres: KU KDM 2013 Zakopane, r. 1

Stobiński2 1Uniwersytet Opolski, Wydział Chemii, 45-052 Opole 2Instytut Chemii

2 Plan prezentacji Wprowadzenie Metody Wyniki Wnioski Podziękowania Yaghi et al. Nature 2003, 423, 705 2

3 Emisja CO 2 w Unii Europejskiej Elektrownie oraz ogrzewanie 42,4% 1956,76 mln ton/rok Transport 19,2% 886,08 mln ton/rok Źródło: Wyniki Komisji Europejskiej z roku

4 Magazynowanie H 2 : samochody dostawcze 2017 r. Parametry przechowywania Zawartość wodoru Objętościowe upakowanie Temperatura pracy Wartości 5,5% wag. H 2 40 g H 2 /l od -40 do 60 0 C Ciśnienie maksymalne Szybkość tankowania Ilość cykli Koszty 100 bar 1,5 kg H 2 /min cykli 67 $/kg H 2 4

wag. H 2 40 g H 2 /l od -40 do 60 0 C Ciśnienie maksymalne Szybkość tankowania Ilość cykli Koszty

5 Magazynowanie H 2 Sprężony H 2 (najczęściej stosowany w pojazdach) Wysokie ciśnienie ( atm) - kosztowne zbiornikami Wysoki koszt sprężania (18% dla 200 atm) Ciekły wodór (sporadycznie stosowany w pojazdach) Kosztowny system chłodzący Duży koszt skraplania Wodorki metali (np. 4,5% wag. w NaAlH 4 z 2% TiCl 3 ) Słaba odwracalność i szybkość (wymagania: >100 0 C oraz >100 atm) Nanorurki węglowe Bardzo małe wydajności Schlapbach, Züttel Nature 2001, 414, 353 5

system chłodzący Duży koszt skraplania Wodorki metali (np. 4,5% wag.

6 H 2 jako paliwo samochodowe 6

7 (MOF) Metal Organic Framework Liczba publikacji Wyk. 1. Publikacje MOF w latach (Scopus). 7

263 184 118 52 54 76 82 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

8 Budowa Klaster cynkowy Wolna przestrzeń Anion kwasu tereftalowego Rys. 1. Struktura MOF-5 Zn 4 O(C 8 H 4 O 4 ) 3 8

9 MOF do magazynowania H 2 Bardzo duże powierzchnie właściwe Adsorpcja fizyczna H 2 Nierównomierna entalpia adsorpcji Brak objętości martwej Kontrola energii oddziaływania MOF-H 2 Niewysycone centrów metalicznych. 9

entalpia adsorpcji Brak objętości martwej Kontrola

10 Sorpcja fizyczna Oddziaływania Van der Waalsa pomiędzy matrycą, a H 2 Entalpia wiązania MOF-H 2 wynosi 0,48-1,43 kcal/mol Proces szybki i odwracalny Entalpia adsorpcji kontrolowana dyfuzją Optymalna entalpia adsorpcji wynosi ok. 3,6 kcal/mol w temperaturze pokojowej. 10

i odwracalny Entalpia adsorpcji kontrolowana dyfuzją Optymalna

11 H 2 w MOF-5, wolna objętość (żółta kula) o średnicy 15,2 Å. C: czarny, H: biały, O: czerwony, Zn: niebieski czworościan. O. M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127,

12 Cel pracy Obliczenie parametrów strukturalnych oraz spektroskopowych, prostych modeli materiałów MOF. Wyznaczenie entalpii wiązania H 2 przez Li +, Na +, K +, Be 2+, Ca 2+, Mg 2+, Cu 2+, Cu +, Cu 2+, Zn 2+, Al 3+ Określenie parametrów widm IR, Raman, NMR w układzie M n+ -H 2 Dobranie optymalnych baz funkcyjnych oraz metod do projektowania skutecznych materiałów do przechowywania wodoru. 12

Cu 2+, Zn 2+, Al 3+ Określenie parametrów widm IR, Raman, NMR w układzie M n+ -H 2 Dobranie

13 Metody oraz narzędzia Gaussian 09, GaussView 05 oraz C-FOUR Metody obliczeniowe CCSD(T), CCSD i MP2 Z zestawami baz funkcyjnych: Jensena pc-n, apc-n (n=2, 3, 4) Pople 6-31G(d), G(d,p), G(3df, 2pd) Dunninga aug-cc-pvtnz (n=d, T, Q), cc-pvtnz (n=d, T, Q, 5) Wyznaczenie energii oddziaływań M + - H 2, i korekta na błąd super pozycji bazy. 13

6-311++G(d,p), 6-311++G(3df, 2pd) Dunninga aug-cc-pvtnz (n=d, T, Q), cc-pvtnz (n=d, T,

14 Wybrane kationy 14

15 M n+ -H 2 w MOF ν H-H liczby falowej drgań harmonicznych [cm -1 ] CCSD(T)(full)/ G(3df,2pd) Mg 2+ Be 2+ Zn 2+ Al Energia wiązania [kcal/mol] Li + Ca 2+ Cu + H 2 K + T- shape 15

CCSD(T)(full)/6-311++G(3df,2pd) Mg 2+ Be 2+ Zn 2+ Al 3+

16 M n+ -H 2 w MOF 0 H 2 Intercept = 398,81908, Slope = -539,97638 CCSD(T)(full)/ G(3df,2pd) Energia wiązania [kcal/mol] Be 2+ Al 3+ 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 R H-H [Å] 16

wiązania [kcal/mol] -20-40 -60-80 Be 2+ Al 3+ 0,72

17 M n+ -H 2 w MOF ν H-H liczby falowej drgań harmonicznych [cm -1 ] H 2 Intercept = 7748,64588, Slope = ,80906 CCSD(T)(full)/ G(3df,2pd) Zn 2+ Be 2+ 0,72 0,74 0,76 0,78 0,80 0,82 0,84 0,86 0,88 0,90 0,92 R H-H [Å] Al 3+ 17

7748,64588, Slope = -10512,80906 CCSD(T)(full)/6-311++G(3df,2pd) Zn 2+

18 Koszt obliczeń Czas [min.] MP2(full) Li + Na + K + Be 2+ Mg 2+ Ca 2+ Al 3+ Cu + Cu 2+ Fe 2+ Zn G(d) G(d,p) G(3df,2pd) Baza funkcyjna 18

19 M n+ -Benzen w MOF A. Subha Mahadevi and G. Narahari Sastry Chem. Rev. 2012, 10,

20 M n+ -Benzen w MOF K G(d) G(d,p) G(3df,2pd) Energia oddzialywania [kcal/mol] exp.= -18,212 kcal/mol -25 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 Odległość [Å] 20

oddzialywania [kcal/mol] 10 5 0-5 -10-15 -20 exp.

21 Wnioski Wyznaczono parametry strukturalne oraz częstości drgań harmonicznych w układzie M n+ -H 2 Określono entalpię oddziaływania układu M n+ -H 2 Entalpia wiązania M n+ -H 2 powyżej wartości 3,6 kcal/mol wykazują kationy metali: Li +, Na +, Be 2+, Ca 2+, Mg 2+, Cu 2+, Cu +, Cu 2+, Zn 2+, Al

22 Literatura 1. Strategies for Hydrogen Storage in Metal-Organic Frameworks, J. L. C. Rowsell, O. M. Yaghi, Angew. Chem. Int. Ed., 2005, 44, Design, Synthesis, Structure, and Gas (N2, Ar, CO2, CH4 and H2) Sorption Properties of Porous Metal-Organic Tetrahedral and Heterocuboidal Polyhedra, A. C. Sudik, N. W. Ockwig, A. R. Millward, A. P. Côté, O. M. Yaghi, J. Am. Chem. Soc., 2005, 127, Introduction to Metal-Organic Frameworks, O. M. Yaghi, H. Zhou, J. R. Long Chem. Rev., 2012, 127, Insights from theoretical calculations on structure, dynamics, phase behavior and hydrogen sorption in nanoporous metal organic frameworks, M. Biswas, T. Cagin, Computational and Theoretical Chemistry, 2012, 987, Cation π Interaction: Its Role and Relevance in Chemistry, Biology, and Material Science, A. Subha Mahadevi and G. Narahari Sastry Chem. Rev. 2012, 10,

23 Podziękowania Praca wykonana w ramach grantu 8/WCH/ S 23

Podobne dokumenty

Małe, średnie i... nano. Modelowanie molekularne w Opolu (i nie tylko) Teobald Kupka, Małgorzata A. Broda

Małe, średnie i... nano. Modelowanie molekularne w Opolu (i nie tylko) Badania podstawowe wspomagane obliczeniami w WCSS Teobald Kupka, Małgorzata A. Broda Uniwersytet Opolski, Wydział Chemii, Opole e-mail: