El futuro de una economía basada en el hidrógeno como fuente de energía renovable y no contaminante requiere mejorar los sistemas de almacenamiento, como por ejemplo en tanques prácticos para el transporte vehicular.Los materiales carbonosos son buenos candidatos para este fin, porque son livianos, de gran área superficial y bajo costo comercial. Para mejorar la capacidad de almacenamiento de estos materiales se ha propuesto decorarlos con metales (de transición, alcalinos, alcalino térreos), lo cual incrementaría la capacidad de adsorción de hidrógeno.
Mediante estudios de Teoría del Funcional Densidad (DFT), emulando las condiciones experimentales, hemos demostrado en estudios recientes que las principales dificultades prácticas que se tendrían a la hora de utilizar materiales carbonosos decorados con metales, es la presencia de las especies moleculares presentes en el aire que compiten en la adsorción de forma determinante, como el oxígeno, el cual resulta ser un competidor e inhibidor importante[1,2].
En el presente trabajo se analiza la adsorción competitiva de hidrógeno y oxígeno sobre láminas de grafeno decoradas con Ni, Ti, Cu, Pt, y K entre otros metales. El sistema se representa mediante una lámina de grafeno de 24 o 60 átomos de carbono y condiciones periódicas de contorno. Los mínimos locales se determinaron mediante la técnica de gradientes conjugados (CG), empleando cálculos DFT con polarización de espín, tal como se encuentran implementados en el programa SIESTA [3]. El camino de reacción para las diferentes reacciones (oxidación, formación de hidruros) se optimizó empleando el método de la banda elástica (NEB) [4].
En el caso del decorado de Ti sobre grafeno, el oxígeno residual provoca que el decorado se oxide en forma espontánea e irreversible y en estas condiciones disminuye la capacidad de almacenamiento del material. En el caso del decorado de Ni, este material no se oxida tan fácilmente pero igualmente el oxígeno resulta ser un interferente difícil de eliminar porque se adsorbe químicamente sobre el decorado.
En todos los decorados metálicos estudiados, vemos que a menos que se restrinja el acceso del oxígeno, su fuerte enlace a los sistemas decorados desalienta su aplicación práctica. También se estudió la posible formación de hidruros y la capacidad de almacenamiento de hidrógeno y se realizó un análisis de la contribución entrópica a la energía libre de adsorción.
[1] M.I. Rojas, E.P.M. Leiva, Phys. Rev. B 76 155415 (2007).
[2] A. Sigal, M.I. Rojas, E.P.M. Leiva, Inter. J. of Hydrogen Energy (2011), doi:10.1016/j.ijhydene.2010.12.024
[3] J. M. Soler, E. Artacho, J. D. Gale, A. García, J. Junquera, P. Ordejón, D. Sánchez-Portal, J. Phys.: Condens. Matter 14 2745 (2002).
[4] G. Henkelman, B.P. Uberuaga, H. Jonsson, J. Chem. Phys. 113 (2000) 9901-04.
G. Henkelman, H. Jonsson, J. Chem. Phys. 113 (2000) 9978-85.
