Molekulsko modeliranje prepustnosti intrinzičnih točkovnih defektov v grafenu za difuzijo preprostih plinov.Gregori, Erik (Avtor) Genorio, Boštjan (Mentor) Kokalj, Anton (Komentor) grafenDFTdifuzijska barieradefektiplinske molekuleRaziskav v zvezi z grafenom je že na mnogih področjih veliko. Po pregledu literature smo zasledili nekaj pomanjkljivosti na področju uporabe nepravilnega (defektnega) grafena kot separacijske membrane. Sama struktura čistega, pravilnega grafena je sestavljena iz ogljika, ki je razporejen v obliki dvo-dimenzionalnega (2D) heksagonalnega satovja in je videti kot luknjasta struktura, ki bi lahko imela potencial separacije zelo majhnih delcev. Pokazali smo, da to ne drži, saj so difuzijske bariere izredno visoke tudi za najmanjše atome v naravi. Za uporabo grafena na področju separacijskih membran je torej treba uvesti v grafen defekte. Pri tem vpliv intrinzičnih defektov v grafenu še ni popolnoma razložen, zato smo raziskali predvsem točkovne defekte oz. praznine. Z izračuni na osnovi teorije gostotnega funkcionala (ang. - Density Functional Theory, DFT) smo modelirali difuzijo H2 in O2 skozi točkovne defekte (praznine) različnih velikosti v grafenu in pokazali, da so nepasivirani defekti v izolirani plasti grafena dovolj reaktivni, da lahko razcepijo molekule. Izračunali smo aktivacijske energije za disociacijo molekul H2 , O2 in H2O. Le te so dovolj nizke, da bi te molekule pri sobni ali višji temperaturi nemudoma disocirale in s tem pasivirale praznino. V primeru kisika energijske bariere sploh ni. Na podlagi teh ugotovitev smo določili difuzijske bariere še za praznine v grafenu, ki so se pasivirale z razcepljeno molekulo O2 in H2O. Sisteme praznin smo med seboj primerjali glede na numerično izračunano van der Waalsovo površino defekta. Nazadnje smo tvorili še vrstične defekte, ki smo jih imenovali bočne reže. Difuzijske bariere, za prehod molekul preko praznin v grafenski plasti, smo tu ocenili na podlagi izkušenj, pridobljenih z računsko zahtevnimi izračuni za določaje prehodnega stanja z metodo obremenjevanja napete elastične vrvi (ang. - Nudged Elastic Band Method, NEB), z bolj enostavnimi izračuni strukturne relaksacije. Difuzijske bariere smo primerjali še glede na relativno velikost molekul, pri čemer smo med seboj primerjali difuzijske bariere za H2 , O2 in CH4 . Da bi rezultate še bolj ovrednotili, smo preko Maxwell-Boltzmannove porazdelitve aproksimativno izračunali delež delcev, ki ima dovolj visoko energijo, da lahko določeno bariero premaga (v ta namen smo obravnavali nekaj karakterističnih velikosti barier).20212021-09-16 17:20:00Magistrsko delo/naloga130628sl