Υπολογιστική μελέτη νανοδομημένων υλικών με εφαρμογές στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας

Abstract

A globalized market, a modern consumer lifestyle, overexploitation of natural resources and reliance on exhaustible sources of energy make it necessary to find new, cleaner and more renewable forms of energy. Nanotechnology, as one of the most growing sectors today, offers innovative materials that are applicable to Energy Production and Saving.The solution of the time-dependent Schrödinger equation helps to understand how molecules are formed by atoms and predict their properties, such as electronic, optical and structural, in molecular systems. By means of density functional theory (DFT) and taking into account the electron correlation and the instantaneous electrostatic interactions of electrons, the correct qualitative description of the properties of different systems is examined.They are subsequently studied various nanostructure metal hydrides which can store hydrogen. Using all based on first principles (ab initio) computational methods and leading to results in specific and selected approaches, a large number of various data structures and alloys is tested, such as LinAln , LinAlnHnx , LinBn and LinBnHnx. The calculations attempt to discover the geometry of the test structures, the sensitivity of their behaviour and find how correlate the desorption energy with the size of structures and the number of hydrogens contained therein.Finally, the optimized geometries of doped CdSe and ZnS nanostructured semiconductors are calculated. They are studied substitutional defects and vacancy defects in their initial structures. The absorption spectrum of those nanoparticles is calculated and it is tried to find which type of defects move the absorption spectrum in the visible spectrum.

Η παγκοσμιοποιημέμη αγορά, ο σύγχρονος καταναλωτικός τρόπος ζωής, η υπερεκμετάλλευση των φυσικών πόρων και η εξάρτηση από τις εξαντλήσιμες πηγές ενέργειας καθιστούν αναγκαία την εύρεση νέων, πιο καθαρών και ανανεώσιμων μορφών ενέργειας. Η νανοτεχνολογία, ως ένα από το πιο αναπτυσσόμενους τομείς σήμερα, προσφέρει καινοτόμα υλικά που βρίσκουν εφαρμογή στη Παραγωγή και Εξοικονόμηση Ενέργειας. Αρχικά, λοιπόν, παρουσιάζονται κατηγορίες νανοϋλικών και το πώς βοηθούν στην αποθήκευση του υδρογόνου στα Μέσα Μαζικής Μεταφοράς, ώστε η χρήση του να είναι πιο εύκολη, πιο ασφαλής και αρμονικότρεη με την ανθρώπινη καθημερινότητα. Επίσης, μελετούνται νανοδομημένοι ημιαγωγοί (ή αλλιώς κβαντικές τελείες) και το πώς οι μοναδικές τους ιδιότητες αξιοποιούνται σε Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας, στη Βιολογία και στην Ιατρική.Η επίλυση της μη σχετικιστικής χρονοανεξάρτητης εξίσωσης Shrödinger βοηθά στην κατανόηση του τρόπου που συγκροτούνται τα μόρια από άτομα, καθώς και των ηλεκτρονικών, οπτικών και δομικών ιδιοτήτων των μοριακών συστημάτων. Με τη βοήθεια της θεωρίας συναρτησιακού πυκνότητας (Density Functional Theory), και λαμβάνοντας υπόψη την ηλεκτρονιακή συσχέτιση και τις στιγμιαίες ηλεκτροστατικές αλληλεπιδράσεις των ηλεκτρονίων προβλέπεται η σωστή ποιοτική περιγραφή των ιδιοτήτων των διάφορων συστημάτων.Στη συνέχεια, μελετώνται διάφορα νανοδομημένα μεταλλικά υδρίδια που μπορούν να αποθηκεύσουν το υδρογόνο. Χρησιμοποιώντας, λοιπόν, όλες τις βασισμένες σε πρώτες αρχές (ab initio) υπολογιστικές μεθόδους και καταλήγοντας σε αποτελέσματα με συγκεκριμένες και επιλεγμένες προσεγγίσεις, εξετάστηκε ένας μεγάλος αριθμός διάφορων στοιχείων, δομών και κραμάτων, όπως είναι τα LinAln και τα LinAlnHnx , τα LinBn και τα LinBnHnx , καθώς και οι νανοδομές BnHm και ΑlnHm. Οι υπολογισμοί προσπαθούν να ανακαλύψουν την γεωμετρία των εξεταζόμενων δομών αλλά και την ευαισθησία της συμπεριφοράς τους και τον τρόπο συσχέτισης της ενέργειας εκρόφησης με το μέγεθος των δομών και τον αριθμό των υδρογόνων που περιέχονται σε αυτές.Tέλος, εξετάζονται οι νανοδομημένοι ημιαγωγοί CdSe και ZnS και υπολογίζονται οι βέλτιστες γεωμετρίες τους με ατέλειες (defects) στο εωτερικό των δομών τους. Είτε με αντικατάσταση ατόμων (substitutional defect) είτε με αφαίρεση ατόμων (vacancy defect) στις αρχικές τους δομές, υπολογίζεται το φάσμα απορρόφησης και διαπιστώνεται πώς επηρεάζεται το ενεργειακό χάσμα και κατά πόσο μπορεί να μετακινηθεί στο ορατό φάσμα.