Помощь студентам в учебе
Влияние структуры нанотрубок на водород-сорбционную емкость углеродного материала
|
Введение 14
Глава 1 Литературный обзор 17
1.1 Углеродные нанотрубки 17
1.1.1 Структура углеродных нанотрубок 17
1.1.2 Свойства углеродных нанотрубок 20
1.1.3 Сорбция водорода 23
1.2 Приборы и методы исследования углеродных материалов-накопителей
водорода 26
1.2.1 Сканирующая электронная микроскопия 27
1.2.2 Просвечивающая электронная микроскопия 31
1.2.3 Рентгеновская дифракция 35
1.2.4 Измерение сорбционной емкости углеродного материала 38
Глава 2. Модели сорбции водорода углеродными нанотрубками 44
2.1 Феноменологическое термодинамическое описание процесса сорбции. .. 44
2.2 Молекулярная кинетическая теория (теория функционала плотности) .... 46
2.3 Геометрическая модель 48
Глава 3. Экспериментальные исследования 54
3.1 Расчет водород-сорбционной емкости по геометрической модели
сорбции 54
3.2 Измерение водород-сорбционной емкости углеродных нанотрубок 60
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 63
4.1 Составление перечня работ
4.2. Определение трудоемкости работ 64
4.3. Построение графика работ 68
4.4. Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 70
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ 70
4.4.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 71
4.4.3 Основная и дополнительная заработная плата исполнителей темы .... 71
4.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 73
4.4.5 Накладные расходы 73
Глава 5. Социальная ответственность 75
Введение 75
5.1. Техногенная безопасность 76
5.2. Региональная безопасность 79
5.3. Организационные мероприятия обеспечения безопасности 80
5.4. Особенности законодательного регулирования проектных решений 81
5.5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 84
Выводы 86
Заключение 87
Список литературы 89
Глава 1 Литературный обзор 17
1.1 Углеродные нанотрубки 17
1.1.1 Структура углеродных нанотрубок 17
1.1.2 Свойства углеродных нанотрубок 20
1.1.3 Сорбция водорода 23
1.2 Приборы и методы исследования углеродных материалов-накопителей
водорода 26
1.2.1 Сканирующая электронная микроскопия 27
1.2.2 Просвечивающая электронная микроскопия 31
1.2.3 Рентгеновская дифракция 35
1.2.4 Измерение сорбционной емкости углеродного материала 38
Глава 2. Модели сорбции водорода углеродными нанотрубками 44
2.1 Феноменологическое термодинамическое описание процесса сорбции. .. 44
2.2 Молекулярная кинетическая теория (теория функционала плотности) .... 46
2.3 Геометрическая модель 48
Глава 3. Экспериментальные исследования 54
3.1 Расчет водород-сорбционной емкости по геометрической модели
сорбции 54
3.2 Измерение водород-сорбционной емкости углеродных нанотрубок 60
Глава 4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 63
4.1 Составление перечня работ
4.2. Определение трудоемкости работ 64
4.3. Построение графика работ 68
4.4. Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 70
4.4.1 Расчет материальных затрат НТИ 70
4.4.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных
(экспериментальных) работ 71
4.4.3 Основная и дополнительная заработная плата исполнителей темы .... 71
4.4.4 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) 73
4.4.5 Накладные расходы 73
Глава 5. Социальная ответственность 75
Введение 75
5.1. Техногенная безопасность 76
5.2. Региональная безопасность 79
5.3. Организационные мероприятия обеспечения безопасности 80
5.4. Особенности законодательного регулирования проектных решений 81
5.5. Безопасность в чрезвычайных ситуациях 84
Выводы 86
Заключение 87
Список литературы 89
В 1959 году на ежегодной встрече Американского физического общества Ричард Фейнман опубликовал речь: "Там, внизу, много места", в которой он обосновал основные принципы использования нанотехнологий в медицине. В 1991 году он предположил, что углеродные нанотрубки обладают уникальными электрическими свойствами. В то же время Сумио Ииджима из Японской корпорации NEC впервые обнаружил с помощью высокой разрешающей электронной микроскопии трубчатые структуры с диаметрами от нескольких до десятков нанометров, длиной в несколько микрон, или даже миллиметров, и назвал их "углеродные нанотрубки ". После него, T.W. Ebbesen и P.M. Ajayan, также из корпорации NEC, нашли метод получения большого количества многослойных углеродных нанотрубок. В 1993 году исследовательская группа компании IBM и С. Ииджима одновременно сообщили об обнаружении одностенных углеродных нанотрубок. Исследование физических свойств одностенных углеродных нанотрубок началось в 1995 году.
Исследовательская группа Ричарда Смолли открыла метод лазерного испарения с высоким выходом одностенных углеродных нанотрубок. Исследовательская группа Bernier в университете Montpellier во Франции, используя метод электро-дугового испарения смогли также получить одностенные углеродные нанотрубки. В 1998 году в Научно-исследовательском институте металлов Китайской академии наук был использован способ каталитического пиролиза углеводородов для синтеза большого количества
одностенных углеродных нанотрубок.
Наноматериалы являются ультрадисперсными материалами с нанометровым размером зерна (10-9 м) [1]. Углеродные нанотрубки имеют уникальные физические и химические свойства, такие как металлическая или полупроводниковая проводимость, высокая механическая прочность, адсорбционная способность и высокая способность поглощать СВЧ излучение. Углеродные нанотрубки могут быть использованы в различных областях науки и техники. Например, использование нанотрубок как упрочняющего наполнителя и проводящего агента может быть получен превосходный автомобили эффективности охраны, использование как носителя катализатора может значительно улучшить активность и селективность катализатора. Нанотрубки обладают сильными свойствами поглощать СВЧ излучение, что позволяет его использовать для стелс-материалов, электромагнитного экранирования или для поглощения света.
Сорбционная способность является одним из известных свойств нанотрубок. Нанотрубки обладают уникальной структурой поверхности, т.е. вся масса атомов сосредоточена на поверхности нанотрубок. Поэтому нанотрубки имеют высокую удельную площадь поверхности [2]. Кроме того, нанотрубки имеют полости, доступные для сорбции.
Применение углеродных нанотрубок в качестве аккумуляторов водорода является одним из перспективных методов хранения водорода. Углеродные нанотрубки имеют уникальную структуру, что позволяет хранить достаточное количество водорода для дальнейшего использования в качестве топлива [3].
Основной проблемой при изучении углеродных материалов-накопителей водорода остается плохая повторяемость экспериментальных результатов по определению предельной водородной емкости. Для решения установленной проблемы необходимо проводить расчеты с применением разнообразных моделей сорбции водорода углеродными материалами. Наиболее простой является геометрическая модель с учетом структурных характеристик материала. Данная модель не требует больших затрат и применения мощной вычислительной техники, а также сложного математического аппарата, что является несомненным преимуществом, хотя и не устанавливает влияния на процесс сорбции химических и физических воздействий.
Из вышесказанного целью работы является расчет предельной концентрации сорбированного углеродными нанотрубками водорода по геометрической модели сорбции.
В связи с поставленной целью сформулированы следующие задачи:
1. Изучить особенности строения углеродных нанотрубок;
2. Рассчитать предельную концентрацию сорбированного водорода от структурных параметров углеродного материала.
Исследовательская группа Ричарда Смолли открыла метод лазерного испарения с высоким выходом одностенных углеродных нанотрубок. Исследовательская группа Bernier в университете Montpellier во Франции, используя метод электро-дугового испарения смогли также получить одностенные углеродные нанотрубки. В 1998 году в Научно-исследовательском институте металлов Китайской академии наук был использован способ каталитического пиролиза углеводородов для синтеза большого количества
одностенных углеродных нанотрубок.
Наноматериалы являются ультрадисперсными материалами с нанометровым размером зерна (10-9 м) [1]. Углеродные нанотрубки имеют уникальные физические и химические свойства, такие как металлическая или полупроводниковая проводимость, высокая механическая прочность, адсорбционная способность и высокая способность поглощать СВЧ излучение. Углеродные нанотрубки могут быть использованы в различных областях науки и техники. Например, использование нанотрубок как упрочняющего наполнителя и проводящего агента может быть получен превосходный автомобили эффективности охраны, использование как носителя катализатора может значительно улучшить активность и селективность катализатора. Нанотрубки обладают сильными свойствами поглощать СВЧ излучение, что позволяет его использовать для стелс-материалов, электромагнитного экранирования или для поглощения света.
Сорбционная способность является одним из известных свойств нанотрубок. Нанотрубки обладают уникальной структурой поверхности, т.е. вся масса атомов сосредоточена на поверхности нанотрубок. Поэтому нанотрубки имеют высокую удельную площадь поверхности [2]. Кроме того, нанотрубки имеют полости, доступные для сорбции.
Применение углеродных нанотрубок в качестве аккумуляторов водорода является одним из перспективных методов хранения водорода. Углеродные нанотрубки имеют уникальную структуру, что позволяет хранить достаточное количество водорода для дальнейшего использования в качестве топлива [3].
Основной проблемой при изучении углеродных материалов-накопителей водорода остается плохая повторяемость экспериментальных результатов по определению предельной водородной емкости. Для решения установленной проблемы необходимо проводить расчеты с применением разнообразных моделей сорбции водорода углеродными материалами. Наиболее простой является геометрическая модель с учетом структурных характеристик материала. Данная модель не требует больших затрат и применения мощной вычислительной техники, а также сложного математического аппарата, что является несомненным преимуществом, хотя и не устанавливает влияния на процесс сорбции химических и физических воздействий.
Из вышесказанного целью работы является расчет предельной концентрации сорбированного углеродными нанотрубками водорода по геометрической модели сорбции.
В связи с поставленной целью сформулированы следующие задачи:
1. Изучить особенности строения углеродных нанотрубок;
2. Рассчитать предельную концентрацию сорбированного водорода от структурных параметров углеродного материала.
Сорбционная способность является одним из известных свойств нанотрубок. Нанотрубки обладают уникальной структурой поверхности, т.е. вся масса атомов сосредоточена на поверхности нанотрубок. Поэтому нанотрубки имеют высокую удельную площадь поверхности. Кроме того, нанотрубки имеют полости, доступные для сорбции различных веществ.
Применение углеродных нанотрубок в качестве аккумуляторов водорода является одним из перспективных методов хранения водорода. Углеродные нанотрубки имеют уникальную структуру, что позволяет хранить достаточное количество водорода для дальнейшего использования его в качестве топлива Для решения основной проблемы при изучении углеродных материалов-накопителей водорода, а именно плохой повторяемости экспериментальных результатов, необходимо проводить расчеты с применением разнообразных моделей сорбции водорода. Наиболее простой является геометрическая модель с учетом структурных характеристик материала. Данная модель не требует больших затрат и применения мощной вычислительной техники, а также сложного математического аппарата, что является несомненным преимуществом, хотя и не устанавливает влияния на процесс сорбции химических и физических воздействий.
В результате проведенных расчетов можно сделать выводы о том, что концентрация сорбированного водорода для закрытых нанотрубок типа «кресло» выше, чем для типа «зигзаг». Такой же эффект наблюдается и в случае открытых нанотрубок.
Данные расчеты подтверждают влияние структуры углеродного материала на его водород-сорбционную емкость.
Применение углеродных нанотрубок в качестве аккумуляторов водорода является одним из перспективных методов хранения водорода. Углеродные нанотрубки имеют уникальную структуру, что позволяет хранить достаточное количество водорода для дальнейшего использования его в качестве топлива Для решения основной проблемы при изучении углеродных материалов-накопителей водорода, а именно плохой повторяемости экспериментальных результатов, необходимо проводить расчеты с применением разнообразных моделей сорбции водорода. Наиболее простой является геометрическая модель с учетом структурных характеристик материала. Данная модель не требует больших затрат и применения мощной вычислительной техники, а также сложного математического аппарата, что является несомненным преимуществом, хотя и не устанавливает влияния на процесс сорбции химических и физических воздействий.
В результате проведенных расчетов можно сделать выводы о том, что концентрация сорбированного водорода для закрытых нанотрубок типа «кресло» выше, чем для типа «зигзаг». Такой же эффект наблюдается и в случае открытых нанотрубок.
Данные расчеты подтверждают влияние структуры углеродного материала на его водород-сорбционную емкость.