يکي از مسائلي که امروزه در مبحث انرژي مطرح است، چگونگي ذخيره سازي سوختهاي پاکي مانند هيدروژن، متان و... براي كاربردهاي مختلف است. در حالت عمومي ذخيره سازي گاز طبيعي فشرده در وسايط نقليه در سيلندرهاي استيل سنگين و در فشارهاي بالا (20 تا 30 مگا پاسكال)صورت ميپذيرد در حاليكه ذخيره سازي گاز به روش ANG(adsorbed natural gas) در محفظههاي سبك و با فشارهاي نسبتا پائيني (در حدود 4 مگا پاسكال)صورت ميپذيرد، بنابراين ذخيره سازي گاز طبيعي به روش ANG ميتواند يك انتخاب بسيار موثرتر باشد زيرا در فشارهاي پايين هزينههاي كمتري صرف ذخيره سازي ميشود. امروزه جذب گاز متان با استفاده از جاذبهاي متنوعي مانند كربن فعال شده(AC)، كربن اشتقاقي كربيد(CDC)، زئوليتها و نانولولههاي كربني تك ديواره(SWCNT)، نانولولههاي كربني چند ديواره(MWCNT)و... صورت ميپذيرد. در اين مقاله مروري داريم بر مكانيزم ذخيره سازي گاز متان با استفاده از نانولولههاي كربني و در نهايت نتايج كار محققان مختلف را در زمينه ذخيره سازي گازها با استفاده از نانو ساختارهاي كربني، مورد ارزيابي و مقايسه قرار ميدهيم.
جذب گاز طبيعي در مواد متخلخلي مانند زئوليتها، كربن فعال شده (AC) غربالهاي مولكولي، كربن اشتقاقي كربيد، بررسي و مطالعه شده است. اخيراً نانولولههاي كربني بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل يكنواخت، استقامت كششي زياد، هدايت الكتريكي، بسيار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولولههاي کربني به دو صورت تک ديواره (SWCNT) و چند ديواره (MWCNT) ميباشند. تحقيقات زيادي به منظور جذب گاز متان كه يكي از اجزاي مهم گازطبيعي است، روي نانولولههاي كربني تك ديواره صورت گرفته است. اين در حالي است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روي نانولولههاي كربني چند ديواره محدود ميباشد. اما در بررسيهاي انجام شده به نظر ميرسد، خواص جذب گاز روي SWCNTها و MWCNTها كاملاً متفاوت ميباشد.
در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرينها ونانولولههاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربنهاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس ميدهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNTها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکولهاي CH4 در SWCNTها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قويتر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننتهاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيفتر در 70 تا 129 درجه کلوين است.
بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولولههاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H-CNTزيگزاگي)0.55 eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژنهاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكولهاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر ميگيرد. بهطوري كه متان بهطور قويتري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير. از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويههاي پيوندي H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشيدکي الکترونهاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر ميگذارد به صورتي که روي اتمهاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود ميآيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولولههاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد.[3] در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور ميکند. دراين حالت چون اتمهاي هيدروژن مولکولهاي متان به خاطر کشيده شدن الکترونها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل ميدهند. اين يون ميتواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [1]در واکنشهاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد ميکند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT ميشود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکولهاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب ميشوند. اين پديده ميتواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.
در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرينها ونانولولههاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربنهاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس ميدهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNTها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکولهاي CH4 در SWCNTها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قويتر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننتهاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيفتر در 70 تا 129 درجه کلوين است.
بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولولههاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H-CNTزيگزاگي)0.55 eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژنهاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكولهاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر ميگيرد. بهطوري كه متان بهطور قويتري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير. از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويههاي پيوندي H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشيدکي الکترونهاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر ميگذارد به صورتي که روي اتمهاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود ميآيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولولههاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد.[3] در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور ميکند. دراين حالت چون اتمهاي هيدروژن مولکولهاي متان به خاطر کشيده شدن الکترونها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل ميدهند. اين يون ميتواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [1]در واکنشهاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد ميکند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT ميشود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکولهاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب ميشوند. اين پديده ميتواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.
جذب گاز طبيعي در مواد متخلخلي مانند زئوليتها، كربن فعال شده (AC) غربالهاي مولكولي، كربن اشتقاقي كربيد، بررسي و مطالعه شده است. اخيراً نانولولههاي كربني بخاطر خواص منحصر به فردشان از جمله تخلخل يكنواخت، استقامت كششي زياد، هدايت الكتريكي، بسيار مورد توجه و مطالعه قرار گرفته اند. نانولولههاي کربني به دو صورت تک ديواره (SWCNT) و چند ديواره (MWCNT) ميباشند. تحقيقات زيادي به منظور جذب گاز متان كه يكي از اجزاي مهم گازطبيعي است، روي نانولولههاي كربني تك ديواره صورت گرفته است. اين در حالي است كه مطالعات درباره جذب گاز متان روي نانولولههاي كربني چند ديواره محدود ميباشد. اما در بررسيهاي انجام شده به نظر ميرسد، خواص جذب گاز روي SWCNTها و MWCNTها كاملاً متفاوت ميباشد.
در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرينها ونانولولههاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربنهاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس ميدهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNTها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکولهاي CH4 در SWCNTها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قويتر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننتهاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيفتر در 70 تا 129 درجه کلوين است.
بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولولههاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H-CNTزيگزاگي)0.55 eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژنهاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكولهاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر ميگيرد. بهطوري كه متان بهطور قويتري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير. از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويههاي پيوندي H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشيدکي الکترونهاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر ميگذارد به صورتي که روي اتمهاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود ميآيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولولههاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد.[3] در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور ميکند. دراين حالت چون اتمهاي هيدروژن مولکولهاي متان به خاطر کشيده شدن الکترونها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل ميدهند. اين يون ميتواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [1]در واکنشهاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد ميکند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT ميشود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکولهاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب ميشوند. اين پديده ميتواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.
در مطالعه اي که توسطSeifer انجام شد، اثر متقابل هيدروژن با فولرينها ونانولولههاي كربني نشان دهنده اين مطلب بود که يون هيدروژن H+ با کربنهاي هيبريد شده SP2 از هر دو ماده تشکيل کمپلکس ميدهد.Xianren و[2 Wenchuam] ، از روش DFT (Density Functional Theory) و روش شبيه سازي GCMC(Grand Canonical Mont Carlo) براي بررسي جذب CH4 در داخل SWCNTها استفاده نمودند. Bien fait از پراکندگي نوترون براي تشخيص نفوذ مولکولهاي CH4 در SWCNTها استفاده کرد و در اين فرايند دو نوع جذب را مشاهده کرد، که يک نمونه مربوط به فاز شبه جامد براي يک مجموعه پيوند قويتر در دماي 120 درجه کلوين و ديگري مربوط به کامپوننتهاي شبه مايع براي مجموعه پيوندهاي ضعيفتر در 70 تا 129 درجه کلوين است.
بنابراين، مجموعه هاي جذبي متان در سطوح داخلي و خارجي نانولولههاي کربني به دو صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد. همچنين گزارش شده است[1] که CNT هيدروژني با هيدروژن مرزي متناوب داخلي/خارجي (H-CNTزيگزاگي)0.55 eV پايداتر از CNT هيدروژني است که همه هيدروژنهاي آن خارجي باشند(H-CNT آرمچير) و در اين حالت (H-CNT زيگزاگي)، فرمر، مولكولهاي متان را با زاويه پيوندي تقريبا قائم در بر ميگيرد. بهطوري كه متان بهطور قويتري روي سطوح خارجي H-CNT زيگزاگي ذخيره مي شود تا روي سطوح داخلي H-CNT زيگزاگي و H-CNT آرمچير. از آنجايي که متان بصورت چهارگوش است و زاويههاي پيوندي H-C-H در حدود 109.5 درجه است، کشيدکي الکترونهاي فعال شده کربن روي چهار اتم هيدروژن پيوندي اثر ميگذارد به صورتي که روي اتمهاي هيدروژن کمبود جزئي الکترون به وجود ميآيد، به همين دليل، مکانيزم جذب متان روي سطوح داخلي و خارجي نانولولههاي کربني به صورت شبه مايع و شبه جامد ميباشد.[3] در مسير مکانيزمي که توسط SunnyE.Iyuke گزارش شده است[3]، مولکول متان با ساختار چهاروجهي با زاويه پيوندي تقريبا قائم، از داخل منافذ نانولوله از توده فاز گازي تا روي جاذبي با پيوند SP2 C=C که نسبتا غني از الکترون است، عبور ميکند. دراين حالت چون اتمهاي هيدروژن مولکولهاي متان به خاطر کشيده شدن الکترونها به سمت کربن مرکزي داراي کمبود جزئي الکترون هستند، يک کمپلکس انتقال دهنده بار (CT) از کربوکاتيوني شامل دو پروتون را تشکيل ميدهند. اين يون ميتواند بطور درون مولکولي، گروه SP2 C=C را با يک پيوند SP3 C-C پايدار کند که مشابه با فضا گزيني [1]در واکنشهاي شيميايي است. اينچنين فضا گزيني در جذب سطحي با سايز روزنه محدود شده، کوپل و يک نيروي انقباضي روي جذب شعاعي متان بعدي و پيوند هيدروژني بين SP3(C-C) از شبکه CNT و SP3 از مولکول متان، وارد ميکند. از آنجاکه هر دو داراي يک ساختار چهاروجهي هستند، اين امر منجر به تشکيل يک فاز شبه مايع در روزنه CNT ميشود. از طرف ديگر سطح خارجي CNT هيچ نوع محدوديتي در جذب ندارد، بنابراين مولکولهاي متان بيشتري روي کربوکاتيون غيرپايدارحاضرجذب ميشوند. اين پديده ميتواند باعث جذب گازهاي بيشتري در شکل فاز شبه مايع متان روي سطح داخلي شود زيرا فضاي کافي براي پيوندها يا ارتعاشات مولکولي وجود دارد و انتقال از فاز جامد به فاز سيال، يک پديده متداول است.