$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

고체수소저장용 나노튜브 소재의 분자동역학 해석 기반 성능 평가
Evaluation of Hydrogen Storage Performance of Nanotube Materials Using Molecular Dynamics

Composites research = 복합재료, v.37 no.1, 2024년, pp.32 - 39  

박진우 (Dept. of Mechanical Eng., Incheon Nat'l Univ.) ,  박형범 (Dept. of Mechanical Eng., Incheon Nat'l Univ.)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

고체수소저장은 수소 기반 경제 발전과 에너지 저장 기술 혁신의 핵심 주제로 부각되고 있다. 이러한 저장 방식은 압축 및 액화수소 저장 등 기존 방식에 비해 안전성과 저장 및 운용 효율성 측면에서 우수한 특성을 보여주고 있다. 본 연구에서는 다양한 구조적 설계 요소 별로 나노튜브 표면에서의 고체수소저장 성능을 평가하고자 한다. 본 연구는 나노튜브의 저장 메커니즘을 밝히고자 분자 역학 시뮬레이션(MD)을 도입하여 수행되었다. 본 연구의 시뮬레이션에는 다양한 직경, 다중벽 구조(MWNT), 단일벽 구조(SWNT)의 탄소나노튜브(CNT) 및 붕소-질소 나노튜브(BNNT)가 도입되어 진행되었다. 방사형 밀도 함수(RDF)를 통해 다양한 조건에서 수소의 저장 및 효과적인 방출을 분석한 결과, 반경 감소와 이중벽 구조가 고체 수소 저장을 높이는 데 기여하는 것으로 나타났다. 또한, 붕소-질소 나노튜브의 수소 저장 용량은 탄소 나노튜브에 비해 낮게 측정되었지만, 유효 수소 저장 측면에서는 탄소 나노튜브를 훨씬 능가하는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Solid-state hydrogen storage is gaining prominence as a crucial subject in advancing the hydrogen-based economy and innovating energy storage technology. This storage method shows superior characteristics in terms of safety, storage, and operational efficiency compared to existing methods such as co...

주제어

표/그림 (7)

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

문제 정의

  • 붕소-질소 나노튜브는 고체수소저장 연구에 널리 사용되는 재료로써, 탄소나노튜브와 물리, 화학적 유사성이 큰 것으로 알려져 있다[36-40]. 본 연구는 (16,16) 구조를 가진 탄소나노튜브와 붕소-질소 나노튜브간의 고체수소 저장 및 유효 수소저장량 비교를 통해 결함이나 금속도핑이 없는 순수한 상태에서의 탄소나노튜브와 붕소-질소나노튜브의 고체수소 저장 및 가역성 비교를 수행하고자 하였다.
  • 본 챕터에서는 시뮬레이션의 결과 제시 후 앞서 언급한 설계변수 별 고체수소 저장량과 유효고체수소 저장량에 대해서 논의하고자 한다. 또한 방사밀도함수를 통해 수소 저장량에 대한 구조적 논의를 진행하고, 선형 회귀모델을 통해 반지름 변화에 따른 고체수소 저장량의 변화 민감도를 다중 벽과 단일 벽 탄소나노튜브 모델에서 비교하고자 한다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (44)

  1. Tiwari, A., "The Emerging Global Trends in Hydrogen Energy Research for Achieving the Net Zero Goals," Advanced Materials?Letters, Vol. 12, No. 10, 2021, pp. 1-5. 

  2. Ioannatos, G.E., and Verykios, X.E., "H2 Storage on Single-and?Multi-walled Carbon Nanotubes," International Journal of?Hydrogen Energy, Vol. 35, No. 2, 2010, pp. 622-628. 

  3. Sherif, S., Barbir, F., and Veziroglu, T., "Wind Energy and the?Hydrogen Economy-Review of the Technology," Solar Energy,?Vol. 78, No. 5, 2005, pp. 647-660. 

  4. Jukic, A., and Metikos-Hukovic, M., "The Hydrogen Evolution?Reaction on Pure and Polypyrrole-coated GdNi4Al Electrodes,"?Electrochimica Acta, Vol. 48, No. 25-26, 2003, pp. 3929-3937. 

  5. Barghi, S.H., Tsotsis, T.T., and Sahimi, M., "Chemisorption,?Physisorption and Hysteresis during Hydrogen Storage in Carbon?Nanotubes," International Journal of Hydrogen Energy, Vol.?39, No. 3, 2014, pp. 1390-1397. 

  6. Lyu, J., Lider, A., and Kudiiarov, V., "Using Ball Milling for?Modification of the Hydrogenation/dehydrogenation Process?in Magnesium-based Hydrogen Storage Materials: An Overview,"?Metals, Vol. 9, No. 7, 2019, pp. 768. 

  7. Jinzhe, L., Lider, A.M., and Kudiiarov, V.N., "An Overview of?Progress in Mg-based Hydrogen Storage Films," Chinese Physics?B, Vol. 28, No. 9, 2019, pp. 098801. 

  8. Collins, D.J., and Zhou, H.-C., "Hydrogen Storage in Metal-?organic Frameworks," Journal of Materials Chemistry, Vol. 17,?No. 30, 2007, pp. 3154-3160. 

  9. Rowsell, J.L., and Yaghi, O.M., "Strategies for Hydrogen Storage?in Metal-organic Frameworks," Angewandte Chemie International?Edition, Vol. 44, No. 30, 2005, pp. 4670-4679. 

  10. Zhou, Y., Zu, X.T., Gao, F., Nie, J., and Xiao, H., "Adsorption of?Hydrogen on Boron-doped Graphene: A First-principles Prediction,"?Journal of Applied Physics, Vol. 105, No. 1, 2009. 

  11. Ataca, C., Akturk, E., Ciraci, S., and Ustunel, H., "High-capacity?Hydrogen Storage by Metallized Graphene," Applied Physics?Letters, Vol. 93, No. 4, 2008. 

  12. Wang, Q., Sun, Q., Jena, P., and Kawazoe, Y., "Theoretical Study?of Hydrogen Storage in Ca-coated Fullerenes," Journal of chemical?theory and computation, Vol. 5, No. 2, 2009, pp. 374-379. 

  13. Yoon, M., Yang, S., Hicke, C., Wang, E., Geohegan, D., and?Zhang, Z., "Calcium as the Superior Coating Metal in Functionalization?of Carbon Fullerenes for High-capacity Hydrogen?Storage," Physical Review Letters, Vol. 100, No. 20, 2008, pp. 206806. 

  14. Chandrakumar, K., and Ghosh, S.K., "Alkali-metal-induced?Enhancement of Hydrogen Adsorption in C60 Fullerene: an ab?Initio Study," Nano Letters, Vol. 8, No. 1, 2008, pp. 13-19. 

  15. Langmi, H., Book, D., Walton, A., Johnson, S., Al-Mamouri,?M., Speight, J., Edwards, P., Harris, I., and Anderson, P.,?"Hydrogen Storage in Ion-exchanged Zeolites," Journal of?Alloys and Compounds, Vol. 404, 2005, pp. 637-642. 

  16. Weitkamp, J., Fritz, M., and Ernst, S., "Zeolites as Media for?Hydrogen Storage," Proceedings from the Ninth International?Zeolite Conference, 1993, pp. 11-19. 

  17. Barrer, R., and Vaughan, D., "Solution and Diffusion of Helium?and Neon in Tridymite and Cristobalite," Transactions of the?Faraday Society, Vol. 63, 1967, pp. 2275-2290. 

  18. Chao, S., Ya-Ting, H., Shuo, Z., Xiao-Lan, M., and Hua, L.,?"The Grand Canonical Monte Carlo Simulation of Hydrogen?Physisorption on Single-walled Carbon Nanotubes at the Low?and Normal Temperatures," Acta Physica Sinica, Vol. 62, No. 3, 2013. 

  19. Cheng, J., Yuan, X., Zhao, L., Huang, D., Zhao, M., Dai, L., and?Ding, R., "GCMC Simulation of Hydrogen Physisorption on?Carbon Nanotubes and Nanotube Arrays," Carbon, Vol. 42, No.?10, 2004, pp. 2019-2024. 

  20. Najmi, L., and Hu, Z., "Review on Molecular Dynamics Simulations?of Effects of Carbon Nanotubes (CNTs) on Electrical?and Thermal Conductivities of CNT-Modified Polymeric?Composites," Journal of Composites Science, Vol. 7, No. 4, 2023, pp. 165. 

  21. Gaikwad, P.S., Kowalik, M., Jensen, B.D., Van Duin, A., and?Odegard, G.M., "Molecular Dynamics Modeling of Interfacial?Interactions between Flattened Carbon Nanotubes and Amorphous?Carbon: Implications for Ultra-lightweight Composites,"?ACS Applied Nano Materials, Vol. 5, No. 4, 2022, pp. 5915-5924. 

  22. Kumar, U., Sharma, S., Rathi, R., Kapur, S., and Upadhyay, D.,?"Molecular Dynamics Simulation of Nylon/CNT Composites,"?Materials Today: Proceedings, Vol. 5, No. 14, 2018, pp. 27710-27717. 

  23. Ghosh, S., and Padmanabhan, V., "Hydrogen Storage in Titanium-?doped Single-walled Carbon Nanotubes with Stone-?Wales Defects," Diamond and Related Materials, Vol. 77, 2017,?pp. 46-52. 

  24. Ghosh, S., and Padmanabhan, V., "Hydrogen Storage Capacity?of Bundles of Single-walled Carbon Nanotubes with Defects,"?International Journal of Energy Research, Vol. 41, No. 8, 2017,?pp. 1108-1117. 

  25. Seenithurai, S., Pandyan, R.K., Kumar, S.V., Saranya, C., and?Mahendran, M., "Al-decorated Carbon Nanotube as the Molecular?Hydrogen Storage Medium," International Journal of?Hydrogen Energy, Vol. 39, No. 23, 2014, pp. 11990-11998. 

  26. Kim, Y.J., Cnt-reinforced Polymer Nanocomposite by Molecular?Dynamics Simulations. Ph.D Thesis, Purdue University, US, 2014. 

  27. Wen, Y., Liu, H., Pan, L., Tan, X., Lv, H., Shi, J., and Tang, X.,?"A Triplet Form of (5, 0) Carbon Nanotube with Higher Hydrogen?Storage Capacity," The Journal of Physical Chemistry C, Vol.?115, No. 18, 2011, pp. 9227-9231. 

  28. Tallury, S.S., and Pasquinelli, M.A., "Molecular Dynamics Simulations?of Polymers with Stiff Backbones Interacting with Single-walled Carbon Nanotubes," The Journal of Physical Chemistry B, Vol. 114, No. 29, 2010, pp. 9349-9355. 

  29. Ferre-Vilaplana, A., "Ab Initio Computational Investigation of?Physisorption of Molecular Hydrogen on Achiral Single-walled?Carbon Nanotubes," The Journal of Chemical Physics, Vol. 122, No. 21, 2005. 

  30. Talukdar, K., and Mitra, A., "Molecular Dynamics Simulation?of Elastic Properties and Fracture Behavior of Single Wall Carbon?Nanotubes with Vacancy and Stone-Wales Defect,"?Advanced Composite Materials, Vol. 20, No. 1, 2011, pp. 29-38. 

  31. Mishra, S., and Kundalwal, S., "Topological Defects Embedded large-sized Single-walled Carbon Nanotubes for Hydrogen?Storage: A Molecular Dynamics Study," International Journal of?Hydrogen Energy, Vol. 47, No. 86, 2022, pp. 36605-36621. 

  32. Lyu, J., Kudiiarov, V., and Lider, A., "An Overview of the Recent?Progress in Modifications of Carbon Nanotubes for Hydrogen?Adsorption," Nanomaterials, Vol. 10, No. 2, 2020, pp. 255. 

  33. Wang, Y.J., Wang, L.Y., Wang, S.B., Wu, L., and Jiao, Q.Z.,?"Hydrogen Storage of Carbon Nanotubes: Theoretical Studies,"?Advanced Materials Research, Vol. 179, 2011, pp. 722-727. 

  34. Mananghaya, M.R., Santos, G.N., and Yu, D., "Hydrogen?Adsorption of Ti-decorated Boron Nitride Nanotube: A Density?Functional Based Tight Binding Molecular Dynamics?Study," Adsorption, Vol. 24, 2018, pp. 683-690. 

  35. Mananghaya, M., "Hydrogen Adsorption of Novel N-doped?Carbon Nanotubes Functionalized with Scandium," International?Journal of Hydrogen Energy, Vol. 40, No. 30, 2015, pp. 9352-9358. 

  36. Choyal, V., Choyal, V., and Kundalwal, S., "Effect of Atom?Vacancies on Elastic and Electronic Properties of Transversely?Isotropic Boron Nitride Nanotubes: A Comprehensive Computational?Study," Computational Materials Science, Vol. 156, 2019, pp. 332-345. 

  37. Mananghaya, M., Yu, D., and Santos, G.N., "Hydrogen Adsorption?on Boron Nitride Nanotubes Functionalized with Transition?Metals," International Journal of Hydrogen Energy, Vol. 41,?No. 31, 2016, pp. 13531-13539. 

  38. Rimola, A., and Sodupe, M., "Physisorption vs. Chemisorption?of Probe Molecules on Boron Nitride Nanomaterials: The?Effect of Surface Curvature," Physical Chemistry Chemical Physics,?Vol. 15, No. 31, 2013, pp. 13190-13198. 

  39. Golberg, D., Bando, Y., Huang, Y., Terao, T., Mitome, M., Tang,?C., and Zhi, C., "Boron Nitride Nanotubes and Nanosheets,"?ACS Nano, Vol. 4, No. 6, 2010, pp. 2979-2993. 

  40. Mpourmpakis, G., and Froudakis, G.E., "Why Boron Nitride?Nanotubes are Preferable to Carbon Nanotubes for Hydrogen?Storage?: An ab Initio Theoretical Study," Catalysis Today, Vol.?120, No. 3-4, 2007, pp. 341-345. 

  41. Mananghaya, M.R., "A Simulation of Hydrogen Adsorption/?desorption in Metal-functionalized BN Nanotube," Materials?Chemistry and Physics, Vol. 240, 2020, pp. 122159. 

  42. Choi, H.K., Jung, H., Yu, J., and Shin, E.S., "Prediction of?Thermo-mechanical Behavior for CNT/epoxy Composites?Using Molecular Dynamics Simulation," Composites Research,?Vol. 28, No. 5, 2015, pp. 260-264. 

  43. Choi, S., and Yang, S., "Molecular Dynamics and Micromechanics?Study on Mechanical Behavior and Interfacial Properties?of BNNT/Polymer Nanocomposites," Composites Research,?Vol. 30, No. 4, 2017, pp. 247-253. 

  44. Wood, W.W., Erpenbeck, J.J., Baker Jr, G.A., and Johnson, J.,?"Molecular Dynamics Ensemble, Equation of State, and Ergodicity,"?Physical Review E, Vol. 63, No. 1, 2000, pp. 011106. 

섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로