Program IDEI - nr. 222 / 2007; Director de proiect

download Program IDEI - nr. 222 / 2007; Director de proiect

of 44

  • date post

    28-Jan-2017
  • Category

    Documents

  • view

    214
  • download

    1

Embed Size (px)

Transcript of Program IDEI - nr. 222 / 2007; Director de proiect

  • Proiect PNCDI II, Program IDEIContract Nr. 222/2007

    MATERIALE NOI NANOSTRUCTURATE PENTRU STOCAREA HIDROGENULUIEtapa II: Obtinerea si caracterizarea materialelor nanostructurate adsorbante, din carbon si metal

    sinteticEchipa proiectului

    Dr.ing. Gimi Aurelian RIMBU (Director Proiect), INCDIE ICPE-CAProf.dr. Ioan STAMATIN, INCDIE ICPE-CA

    Ing. Radu MIREA-VASILESCU, INCDIE ICPE-CAIng. Mihai IORDOC, INCDIE ICPE-CA

  • OBIECTIVELE PROIECTULUIObiectivele S&T: Obtinerea unei serii de materiale solide cu o buna

    controlabilitate a structurii si chimiei suprafatei, cu capacitate mare de stocare a hidrogenului;

    Intelegerea fundamentelor si fenomenelor ce se desfasoara la interfata gaz-solid, in special in cazul interactiei hidrogenului cu suportul solid, ce apar in timpul procesului de stocare, in scopul optimizarii procesului de adsorptie-desorptie;

    Obtinerea unui model teoretic de material, care sa poata atinge la nivel teoretic pragul de 8% (procente masice) capacitea de stocare, prag fixat de Uniunea Europeana.

  • INDICATORI STIINTIFICI

    1. Organizare workshop exploratoriu energie 17-19 septembrie 2008, Rin Grand Hotel.

    2. Organizare Conferinta Nationala de Surse Noi si Regenerabile de Energie, sectiunea Hidrogen si Pile de Combustie, 23-25 octombrie 2008, Academia Romana.

    Organizare Conferinte

    Articole cotate ISI1.Gimi RIMBU, Mihai IORDOC, Radu VASILESCU-MIREA, Ioan STAMATIN, Traian ZAHARESCU Electrochemical deposition of polianiline thin films on carbonic substrates for utilization as hydrogen mediator and self catalyst in fuel cells in curs de publicare in Revista de Chimie, nr. 60/2009.

    1.Gimi RIMBU, Mihai IORDOC, Radu VASILESCU-MIREA, Ioan STAMATIN, Iulian IORDACHE, Traian ZAHARESCU Polyaniline rod-like structure as self-electrocatalyst for hydrogen oxydation reactions, in curs de publicare in Optoelectronics and Advanced Materials Rapid Communications, nr.12/2008.

    1.Ana CUCU, Adriana ANDRONIE, Radu VASILESCU-MIREA, Mihai IORDOC, Gimi RIMBU, Ioan STAMATIN Electrochemical study of hydrogen storage in carbon nanostructures, in curs de publicare in Optoelectronics and Advanced Materials Rapid Communications, nr.12/2008.

  • ACTIVITATI IN CADRUL ETAPEIEtapa II: Obtinerea si caracterizarea materialelor nanostructurate

    adsorbante, din carbon si metal sintetic

    A1: Prepararea adsorbantilor din carbon nanostructurat; A2: Caracterizarea adsorbantilor din carbon nanostrucurat; A3: Prepararea nanostructurilor adsorbante din metale sintetice; A4: Caracterizarea nanostructurilor adsorbante din metale sintetice; A5: Modelarea matematica a diferitelor procese implicate in

    adsorptia/desorptia hidrogenului in materialele solide.

  • Stadiul actual al cercetarii in domeniu

    Rezervoarele sub presiune: pot atinge o presiune de 10000 psi (680 atm), avand un factor de securitate in exploatare de 2.33. Capacitatea de stocare demonstrata in tehnica sub presiune poate fi cuprinsa intre 3.4 4.7% gravimetric si 14-28 g/L volumetric.

    Stocare criogenica sub forma de hidrogen lichid, care poate oferi o capacitate de pana la 70.8g/L. Cu toate acestea, aproximativ 20% din energia recuperabila este necesara pentru a lichefia hidrogenul si alte 2% sunt necesare pentru a mentine rezervoarele in stare criogenica.

    Adsorbtia chimica in hidruri metalice - studiata in mod intensiv in ultimele decenii. Ofera capacitati de stocare de pana la 5%. Legaturile puternice dezvoltate pot conduce insa la probleme severe de cinetica si termodinamica in timpul proceselor de adsorbtie si desorbtie

    Nici una dintre aceste optiuni nu satisfac insa toate criteriile cerute de sistemele de stocare: dimensiune, eficienta, cost si siguranta in exploatare [1] .

  • Stadiul actual al cercetarii in domeniu

    Studii recente pe sorbenti precum: materialele carbonice, structuri organice metalice (MOF), alte nanostructuri si materiale poroase

    Aceste tipuri de materiale au catatat un interes deosebit datorita:

    AVANTAJE

    suprafetei lor specifice mari pe care o pot dezvolta [7-9]

    sunt cunoscute ca fiind stabile chimic si avand o buna conductivitate electrica si termica, alaturi de o buna rezistenta mecanica.

    suprafata carbonului are o densitate energetica ridicata si ca urmare, este destul de usor de modificat in scopul grefarii unor grupe functionale compatibile cu hidrogenul.

    structura poroasa a carbonului poate conferi o serie de avantaje in stocarea hidrogenului.

    cinetica excelenta pe care o prezinta in procesele de adsorbtie / desorbtie, aceasta bazandu-se pe legaturile slabe de tip Van de Waals care se creeaza intre hidrogen si suprafata acestora

  • Stadiul actual al cercetarii in domeniu

    DEZAVANTAJE

    Materialele carbonice prezinta entalpie de adsorbtie foarte mica (aproximativ 6 kJ/mol), corespunzatoare unui proces de adsorbtie fizica si unor legaturi rezultante slabe ale moleculelor de hidrogen la suprafata adsorbantilor de tip carbonic

    Hidrurile metalice prezinta valori ale entalpiei de adsorbtie relativ mari (pentru materialele clasice aproximativ 80 kJ/mol)

    In general, capacitatea de adsorbtie pentru materialele carbonice adsorbante, la temperatura ambientala, este sub 0.6% - 0.8% masa la 298K si 100 atm [3]

  • Stadiul actual al cercetarii in domeniu

    PERSPECTIVE

    Materialele carbonice prezinta avantajul facilitatii de a putea fi ajustate din punct de vedere al proprietatilor structurale si chimice

    Au o greutate scazuta in comparatie cu hidrurile traditionale.

    Astfel, un posibil material pentru stocarea hidrogenului poate fi un material hibrid care poate combina avantajele materialelor carbonice si metalice, minimizand dezavantajele celor doua cand sunt folosite separat.

  • Stadiul actual al cercetarii in domeniu

    TENDINTE

    Numeroase studii au fost efectuate in sensul doparii structurilor carbonice cu diferite particule metalice precum: Ti, Cu, Cr, Ag, Pt etc., cu scopul imbunatatirii si optimizarii capacitatii de stocare a hidrogenului [10,19]

    Capacitatea de stocare este imbunatatita atunci cand moleculele de hidrogen sunt disociate in atomi [12], acestia putand patrunde mult mai usor in porii suportului, suferind chemisorbtia [13].

    Pe baza rezultatelor experimentale, T.Yang a propus un mecanism de tip spillover pentru stocarea hidrogenului [20,21] pe structurile carbonice dopate cu metale.

  • A2.1/A2.2: Prepararea si caracterizarea adsorbantilor din carbon nanostructurat

    Proprietatile necesare unui material carbonic adsorbant:

    suprafata specifica mare

    conductivitate electrica si rezistenta mecanica

    densitate energetica mare pe suprafata suprafata chimic activa

    structura de pori omogen distribuita, in domeniul mocro mezo

    proprietati ce pot oferi reproductibilitate

    proprietati ce pot oferi pret de cost scazut

    Structuri adsorbante pe baza de carbon pirolitic Structuri adsorbante pe baza de aerogeluri carbonice Structuri adsorbante pe baza de spume carbonice Structuri adsorbante pe baza de nanostructuri carbonice dopate cu metal

  • 1.Obtinerea structurilor adsorbante pe baza de carbon pirolitic

    In scopul investigarii posibilitatilor de obtinere cantitativa a unor materiale adsorbante poroase carbonice, au fost luate sub investigare mase vegetaleprecum boabele de grau.

    Aceasta investigare a plecat de la ideea ca in viitor sa se poata trece de la cercetarea fundamentala la cea aplicativa, caz in care materialele dezvoltate in cadrul acestui proiect pot fi implementate in diferite aplicatii practice. In acest caz, o cerinta va fi ca materia prima sa se gaseasca din abundenta si la calitate constanta.

    Totodata, pentru respectarea obiectivelor propuse in cadrul proiectului, s-a tinut seama de faptul ca materia prima vegetala fiind de natura fibroasa, prin carbonizare in procesul de piroliza, poate dezvolta o structura carbonica cu suprafata specifica mare, alaturi de o porozitate omogena, ce poate fi controlata, in domeniul mezoporilor.

    Investigarea influentei unor dopanti (Ni) asupra dezvoltarii porozitatii in structurile carbonice active si totodata in scopul obtinerii unor tipuri de materiale carbonice dopate cu structuri metalice, in directia imbunatatirii cineticii de adsorbtie / desorbtie in structura materialului.

  • Proba 1 Carbon pirolitic nedopat

    Proba 2 Carbon pirolitic dopat cu sol azotat nichel 100g/L

    Proba 2 Carbon pirolitic dopat cu sol azotat nichel 200g/L

    Proba 2 Carbon pirolitic dopat cu sol azotat nichel 300g/L

  • Suprafata BET pentru carbonul pirolitic nedopat

    Suprafata BET pentru carbonul pirolitic dopat

    Distributia porilor pentru carbonul pirolitic nedopat

    Distributia porilor pentru carbonul pirolitic dopat

  • 2. Obtinerea structurilor adsorbante pe baza de aerogeluri carbonice

    In prima etapa au fost obtinute aerogeluri de tip resorcin-formaldehida (RF) avand urmatoarele caracterisitici: Aria BET - 500 650 m2/g Diametrul mediu al porilor 7-21 nm Aria microporilor 60-160 m2/g Volumul total micopori 0.02-0.06 cm3/g Volumul total pori 1-4 cm3/g

    In urma pirolizei la 1200oC s-au obtinut aerogeluri carbonice, prin tratarea termica in atmosfera inerta a aerogelurilor RF, avand urmatoarele caracteristici: Aria BET - 750 1200 m2/g Diametrul mediu al porilor 6-18 nm Aria microporilor 250-500 m2/g Volumul total micopori 0.1-0.25 cm3/g Volumul total pori 2-5 cm3/g

  • 3. Obtinerea structurilor adsorbante pe baza de spume carbonice

    Au fost sintetizate materiale poroase de tip spuma carbonica, utilizand o solutie de poliacrilornitril in dimetilformamida in care a fost adaugat novolac reticulat